一维微/纳米结构的热辐射特性调控及应用

摘要

由于在能量捕获、纳米加工、生物传感技术、低于衍射极限的热成像和局部加热技术的高速发展，使得微纳尺度热辐射研究受到各领域研究关注。在微纳尺度距离下热辐射能力能够大大增强，许多设备都能借助微纳结构去改变反射、透射、吸收和发射谱特性来提高其性能。本文优化设计了一维周期性多层微纳结构，获得相应的光谱辐射特性，并应用于光电转换系统的效率提高。本文的主要内容包括：
　　（1）数值和实验研究了一维微纳周期性多层结构对热光伏（TPV）和发光二极管（LED）组件光谱辐射特性的影响；
　　（2）制备了具有光谱选择性的发射器和过滤器，获得了对应的光谱辐射特性；
　　（3）优化设计出一种新型的TPV系统，并分析了各种因素对光谱辐射特性及热电转化效率的影响规律。
　　对于复杂的纳米尺度系统来讲，数值方法成为其不可缺少的工具来分析模拟其物理过程和现象。数值方法可以在短时间提供分析细节，而不像实验手段需要昂贵的费用，正因为如此，数值模拟已被研究学者和工业生产广泛采用。严格耦合波分析法（RCWA）在分析微纳尺度热辐射比其它算法具有更强的适应性和计算效率。本文采用RCWA分析计算了具有周期性微纳结构的热光伏系统和发光二极管系统的热辐射特性。
　　周期性微纳结构改变系统的热辐射效应是通过不同的物理机制进行的，这些物理机制包括表面等离子体/声子的极化（SPPs/SPhs）、空腔谐振（CR）、Wood奇异（WA）、光波之间的相互干涉和磁共振。发光二极管（LED）能将电能直接转化为电磁辐射，由于全内反射在发光材料与外部材料的边界面处十分微弱，所以发光二极管的外部量子效率就很低。我们通过在发光二极管的上部或下部设置微纳米结构的集成光栅，能够有效地增大了发光二极管的外部量子效率，从而提升了二极管的性能。
　　热光伏系统（TPV）能够运用热光电效应将热红外辐射直接转换电能，但是最明显的缺点就是它们的低功率和低转换效率，这是由于转换过程中，有许多无效的辐射没有被利用。通过在邻近区域设置选择性辐射器和热光伏电池，近场热辐射效应被激发进而提升转换的功率和效率，而热辐射的光谱和定向控制也能提高转化效率。多层的微纳结构作为热光电系统中的辐射器和过滤器具有潜在的应用价值。选择性的发射器和滤波器能够将原本无效的热辐射加以利用，并减小了辐射器与TPV电池的距离，使得本身的转换效率和功率得以改善。选择性滤波器则能控制从辐射器到TPV电池之间的光谱选择。借助数值仿真的参数研究结果，高效率的辐射器和滤波器是可以实现的，并且本文通过优化设计热光电系统的结构初步达到了这个目的。
　　本文的一维多层微纳结构是通过磁控溅射技术来制备的，无线射频磁控发射技术被用来构造一维多层微结构，包括5层（钨（W）/二氧化硅（SiO2））的交叉排列和8层（硅（Si）/二氧化硅（SiO2））的交叉排列，其表面的形貌特征借助扫描电镜（SEM）进行表征。相应的半球反射和半球透射光谱特性通过一个固体材料透反特性测试系统来测量，而三向自动散射仪（TAAS）则用来测量在室温下样品的双向反射分布函数和透过率分布函数。多层 W/SiO2结构的光谱发射特性可以借助基尔霍夫定理间接获得，实验和数值结果证实了本文设计的多层 W/SiO2结构在选定波段内具有很强的辐射能力。所设计的8层Si/SiO2结构也被证实具有很高的透过性能，可以作为选择性过滤器。采用上述选择性辐射器和过滤器，与低禁带的GaSb电池配合组成的TPV系统表现出高转换效率和电输出功率的优越性能。
　　采用高透过率的过滤器和光谱选择性辐射器组成的热光伏系统具有更高的转换效率和电能输出。
　　本文的数值仿真结果和实验数据有利于优化设计能量转换和光电子系统，促进微纳结构在其领域的应用。后续的研究，我们会进一步考虑其他复杂光栅结构，如：锥形阵列，圆形阵列，三角形阵列，六边形阵列，8准光子晶体，12准光子晶体，这些都应该进行细致的讨论。同时，我们还建议对现有的研究结果和理论分析进行工程放大设计研究，按照相关结果制造出相应的设备，并将测量结果与仿真结果进行比较。

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中文摘要

英文摘要

目录

List of Tables

List of Figures

List of Symbols and Abbreviations

Chapter 1 Introduction

1.1 Background

1.2 Light Emitting Diodes

1.3 Thermophotovoltaic

1.4 NumericalMethod

1.5Thesis Scope

1.6 Methodology

1.7 ThesisOrganization

Chapter2Numerical Method and Modeling

2.1 Introduction

2.2 One-Dimensional Rigorous Coupled-wave AnalysisMethod

2.3 Rigorous Coupled-Wave Analysis Method forTEWave

2.4 BoundaryConditions

2.5 RigorousCoupled-WaveAnalysis forTMWave

2.6 RigorousCoupled-WaveAnalysis forConicalDiffraction

Chapter 3Tailoring the Emission/Transmission Spectra of Micro/Nanostructures

3.1 Introduction

3.2 Selective Emitter

3.3 Selective Filter

Chapter 4Enhancement of BRDF/BTDFProperties using Nanostructures

4.1 Introduction

4.2 Comparison and Simulation for Top Micro/nanostructures gratings LEDs

4.3 Simulationof theTopMicro/NanostructuresGratingsLEDs

4.4 Simulationof theBottomMicro/NanostructuresGratings LEDs

4.5 Three Axis Automated Scatterometer Instrument

4.6 Effect of the Polarization on the BRDF and BTDF of the Samples

4.7 Effect of the Plane of Incidence on the BRDF of the Samples

Chapter5RadiativeProperties Measurements of Emitter and Filterwith Nanostructures

5.1 Introduction

5.2. Instrumentation

5.3 Selective Emitter and FilterDesignand Fabrication

5.4 Emittance Measurements for1D5-layer W/SiO2Sample

5.5 Reflectance Measurements for 1D8-layer Si/SiO2Sample

5.6 Transmittance Measurements for 1D8-layer Si/SiO2Sample

5.7 TPV System Performance

5.8 TPV SystemOptimizationDesign

Conclusionsand Recommendations

6.1 Conclusions

6.2 Suggestions forFurtherResearch

参考文献

List of publications during the period of Ph.D. education

声明

致谢

Resume