[发明专利]基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件构造方法及系统

说明书

本发明提供了一种基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件构造方法及系统，包括：步骤S1：选取在红外可见波段折射率稳定的氧化铝作为热辐射波导器件的基底材料，并在该基底上加工具有设定厚度的非定型硅涂层；步骤S2：对亚波长热辐射波导器件的结构单元进行构造；步骤S3：对非定型硅涂层进行微纳米加工，制备周期性排列的结构单元，完成亚波长热辐射波导器件的加工；步骤S4：调试入射能量的偏振方向与所述波导器件中结构单元的周期方向，使得所述波导器件具有设定传输效率。步骤S5：获取基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件。本发明解决了现有热辐射波导器件中能量难以集中、传递损耗高、结构复杂的问题。

技术领域

本发明涉及辐射波导器件技术领域，具体地，涉及一种基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件构造方法及系统。

背景技术

目前热辐射能量的收集与利用严重于宏观尺度调控的方式，故而无法适用于微型化设备进而提升能量利用效率。为实现热辐射能量在微纳尺度下的收集与利用，必须克服热辐射波的衍射极限并将热辐射能量集中在亚波长结构中，因此亚波长热辐射波导的研究具有非常重要的意义。现有亚波长尺度波导结构一般可分为两类：一种是利用贵金属结构在特定的波长下支持的表面等离子激元，将能量集中于亚波长尺度的金属表面，从而实现热辐射能量的微型化传输。然而该种波导不仅受限于金属的欧姆损失，同时工作波段取决于贵金属的本征属性无法轻易调整；另一种是利用光子晶体结构构建人工带隙，将热辐射能量局域在表面态中，但光子晶体波导中的人工带隙严重依赖于周期性条件，且结构复杂，加工难度大。因此，针对上述的技术问题，亟需发明一种可以突破现有器件局限的亚波长热辐射波导器件，既具有低损耗特性、结构简单、易于加工，同时工作波段易于调整，以满足实际需要。

专利文献CN101399292A公开了一种基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件构造方法，太阳能集热表面和热辐射表面分别为基片的两个表面,通过集热表面收集太阳能辐射并将其转换成热能,通过热辐射表面将热能转换成光伏电池所需要的光谱。本发明的优点在于将太阳能的宽光谱辐射高效率的转换为窄光谱辐射,而这种窄光谱辐射能量正好对应于红外光伏电池的响应范围,从而使太阳能发电具有较高的光电转换效率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于光伏发电的高温热辐射集成器件。

根据本发明提供的一种基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件构造方法，包括：步骤S1：选取在红外可见波段折射率稳定的氧化铝作为热辐射波导器件的基底材料，并在该基底上加工具有设定厚度的非定型硅涂层；步骤S2：对亚波长热辐射波导器件的结构单元进行构造；所述结构单元的形状为具有开口结构的纳米柱状结构；其中包含的几何参数有：碟状结构的半径r、高度h、开口宽度g、开口方向以及结构单元的周期尺寸a；步骤S3：对非定型硅涂层进行微纳米加工，制备周期性排列的结构单元，完成亚波长热辐射波导器件的加工；步骤S4：调试入射能量的偏振方向与所述波导器件中结构单元的周期方向，使得所述波导器件具有设定(最高)传输效率。所述波导器件具有的设定传输效率大于设定阈值。步骤S5：获取基于近场零极模态的亚波长热辐射波导器件。

优选地，所述步骤S1包括：步骤S1.1：选择平整的氧化铝玻璃片作为热辐射波导器件的基底材料，其厚度选择对所述波导器件的性能影响较小，为后续加工方便，应保持基底材料的厚度不大于1mm的标准；步骤S1.2：通过等离子体增强化学的气相沉积法在基底上加工均匀的非定型硅层，该工艺能较好地保证非定型硅层的平整度，误差较小。

优选地，所述步骤S2包括：步骤S2.1：根据所需工作波长对热辐射波导器件中结构单元尺寸进行构造，确定硅柱结构的半径r，激发结构单元中的零极模态；步骤S2.2：按固定比例配置硅柱结构参数：-所述硅柱结构的开口宽g＝r/2；-所述硅柱结构的高度h/r在1/7～1/5之间；-所述硅柱结构的开口方向与所述硅柱结构的周期方向的夹角为0～90°；-周期大小a3r。