基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收.本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ1=0.553μm、λ2=0.769μm、λ3=1.130μm三通道上提高了石墨烯吸收效率,石墨烯吸收效率最高可达41%.对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振.经过模拟分析可知,通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率,而石墨烯化学势仅能对共振峰λ3的吸收效率有影响.最后优化结构参数,在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上,这可以作为超材料吸收器.

纳米球和核壳纳米球对有机太阳能电池光吸收增强效果的研究

研究了SiO_2纳米球、Ag纳米球、SiO_2@Ag核壳纳米球、Ag@SiO_2核壳纳米球结构分别掺杂到有机太阳能电池的活性层中对器件活性层的光捕获能力增强作用。结果显示:相较于等效的平板结构,掺杂SiO_2介质球使活性层光吸收提高了9.95%;Ag金属球则带来11.0%光吸收增强。表明在有机太阳能电池中的活性层中掺杂参数优化的金属球和介质球都能够带来活性层光吸收增强。另外,对活性层中掺杂核壳纳米球结构的研究表明:掺杂SiO_2@Ag核壳纳米球的活性层光吸收随着包覆层厚度的增加而增加,当Ag壳厚度为16 nm时,增强效果与掺杂最优的介质球的效果接近,而且两者增强谱也基本相同;掺杂Ag@SiO_2核壳纳米球结构中活性层光吸收随着介质包覆层厚度增加而减弱,当包覆层厚度为1 nm时,吸收效果与金属球相当,且吸收谱也是基本相同。通过在有机太阳能电池活性层中掺杂介质球、金属球以及核壳纳米球所带来的活性层光吸收增强效果的研究,为选择掺杂纳米球和核/壳纳米球来提高光捕获能力提供了指导。

不同燃料当量比条件下烟炱(soot)形态及光吸收增强效应

借助烟炱(soot)燃烧炉、扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)、气溶胶质量分析仪(APM)、三波段光声黑碳仪(PASS-3)探究不同燃料当量比(φ)条件下soot形态及光吸收增强效应.结果显示,随着燃料当量比(φ)从1.98升高至2.43,产生的soot颗粒物中非黑碳物质(nonrefractory particulate matter,NR-PM)的质量占比(RBC)从0.07升高至1.03,soot颗粒物和BC核的形状因子越低,表明soot结构更紧凑,同时BC核的形变更为显著,并且少量非黑碳物质(NR-PM)包裹即可导致BC核的明显形变.受透镜效应的影响,黑碳的光吸收增强与R BC呈正相关,当R BC从0.07增加至1.03时,相应光吸收增强从1.05增加至1.52(781 nm下);此外,棕色碳(BrC)对405 nm和532 nm下的吸光增强也有贡献,其贡献率随着R BC的增加而增大.同时,soot自身的形态对黑碳光吸收增强也存在影响,结构越紧实的soot,其黑碳光吸收增强越明显,并且越接近核-壳模型下的理论计算值.本研究表明,黑碳的形变对于其光吸收增强的影响不容忽视.

南京冬季气溶胶光学特性及黑碳光吸收增强效应

2016年1月1~19日在南京北郊利用三波长光声黑碳光度仪(PASS-3)对气溶胶的光学性质进行了实时在线观测,同时结合气溶胶化学组成分析了黑碳气溶胶的光吸收增强效应.结果表明,观测期间气溶胶在532 nm下的吸收系数、散射系数、单散射反照率的平均值为(64.19±35.28)Mm-1、(454.68±238.71)Mm-1、0.87±0.03,受边界层高度及颗粒物浓度的影响,呈现出明显的日变化特征.黑碳气溶胶的质量吸收截面(MAC)在观测期间的变化趋势为前期低,后期高,与非EC组分相对EC比值的变化趋势一致,受不同污染条件下二次物质的占比及覆盖物厚度变化的影响.基于MAC计算得到的405、532、781nm下的光吸收增强(EMAC)平均值分别为1.53±0.56、1.34±0.47、1.14±0.40,随着波长增加而降低,存在棕色碳(Br C)的贡献.各非EC组分相对EC的比值与EMAC均有一定相关性,其中OC/EC与EMAC相关性最高,说明有机物的积累是导致黑碳光吸收增强的主要原因.K+/EC与EMAC的高相关性表明生物质燃烧过程对光吸收增强也有一定影响.

纳米金属球增强有机太阳电池光吸收的模拟

使用时域有限差分法(FDTD),在AM1.5的光照条件下研究不同材料的纳米金属球在有机太阳电池活性层表面的有序排列,从而产生表面等离子激元效应增强有机太阳电池对光的吸收。结果表面:通过改变纳米金属球的直径以及排列的间距大小等条件,有机太阳电池对光的吸收增强效应会呈现规律性的变化,而且当设定银纳米金属球颗粒的直径为6 nm,间距设定为8 nm时,有机太阳电池活性层对于光的吸收可增强21.7%。

金属光栅用于增强非晶硅薄膜太阳能电池光吸收率研究

提高太阳能电池光电转换效率的一个重要途径就是提高它的光子吸收能力。在传统非晶硅薄膜太阳能电池中加入了金属光栅,设计出一种新的复合电池结构。基于严格耦合波分析矢量衍射理论计算了该结构的吸收光谱和增强因子;讨论了光栅宽度、入射光角度和入射光偏振态对吸收的影响。结果显示,设计的太阳能电池结构能够显著提高光的吸收率,在TM偏振光入射条件下,该结构的吸收增强因子最高可达40%;在其他偏振态光线入射时,其吸收增强因子也可达到16%左右。

Ag纳米蛾膜结构阵列对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响

设计了一种带有Ag纳米蛾膜结构阵列的薄膜硅太阳能电池背反射器。采用时域有限差分(FDTD)法,系统仿真研究了Ag纳米蛾膜阵列的底部直径、高度、阵列周期常数对薄膜硅太阳能电池光吸收的影响。仿真结果表明,Ag纳米蛾膜结构最佳结构参数为:d=60 nm,a=120 nm,h=100 nm。吸收光谱表明带有Ag纳米蛾膜结构的薄膜硅太阳能电池可有效增加700～1200 nm波段范围的光,同带有Ag层的薄膜硅太阳能电池相比,光吸收平均增强53.8%,这是因为Si/Ag界面产生表面等离子体共振现象所致。

超表面在微测辐射热计中的应用

超表面突破了传统自然材料的电磁特性限制,同时也解决了三维超材料难以加工实现等瓶颈问题,使器件朝着集成化,小型化,低成本,可调谐的方向不断发展。目前超表面已在许多领域得到了较为广泛的应用,在探测器领域也越来越受到人们的重视,通过独特的材料、结构设计,超表面可有效完成电磁波各项特性的精确调控,通过超表面的集成,微测辐射热计在光吸收增强,器件波段选择改善等方面有了更多的可能性。本文针对超表面及其在微测辐射热计上的应用研究进行了阐述,展现了超表面在这一领域的发展趋势和广阔前景。

近红外吸收增强银纳米凹坑-硅栅组合结构模拟

针对二维硅光栅微结构在近红外光吸收率极低的特点,提出了一种利用等离激元增强金属Ag纳米凹坑-硅栅近红外光吸收的微纳组合结构,基于时域有限差分法研究了该组合结构在0.78~2.5μm宽波段的吸收率,分析了光栅结构与Ag纳米凹坑对光吸收效率的影响变化。模拟研究结果表明,当在周期为0.2μm、占空比为0.5的光栅间隙和栅柱表面均嵌入直径为0.1μm的Ag纳米凹坑时,该组合微结构在近红外宽波段吸收率均在23%以上,平均吸收率理论上可达到52.3%;当光栅表面增加Al;O;介质层时,宽波段吸收率均在41.3%以上,平均吸收率提高到65.1%,最终在近红外宽波长范围内提高了吸收效率。该研究为光电探测器、太阳能电池、光通信、雷达隐身、生物医疗等领域增强光吸收提供了一种新的方法。

等离激元增强金属-硅组合微结构近红外吸收

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78~2.50μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al2O3介质层的方法,利用FDTD软件仿真研究不同的组合结构及颗粒的直径对光吸收率的影响,分析不同的工作波长下组合结构中特征截面的光强分布。实验结果表明,当光栅线/间比为1∶1、周期为1μm、周期凹槽内放置两层直径为0.25μm的金属Ag颗粒、且凹槽内金属颗粒上方填充覆盖Al2O3介质层时,该组合微结构在近红外波段范围内的平均吸收率理论上可达到0.463,实现吸收增强的效果。在光电转换器件的应用方面,金属颗粒-硅光栅-介质层组合微结构可以增强光吸收,进而提高光电转换效率。

金属纳米粒子对非晶硅太阳能电池性能影响的理论模拟

使用时域有限差分(FDTD)方法,在标准太阳光下模拟非晶硅太阳能电池表面上有序排列的Ag或Au纳米颗粒对电池的光吸收增强效应。结果表明:通过改变金属颗粒的直径和粒子周期性间距等不同条件,光吸收的增强效应有规律地变化。结合AMPS-1D模拟软件对非晶硅电池的电学性能进行计算,在标准太阳光下,使用直径为200 nm、周期性间距为600 nm的Ag纳米粒子可以使非晶硅电池效率的提高幅度达到23.4%。

真空镀膜法制备纳米银颗粒膜局域表面等离激元共振特性的研究

本文研究用真空蒸发和真空溅射镀膜方法制备的纳米银颗粒膜的局域表面等离激元特性,并根据不同方法制备的纳米银颗粒局域表面等离激元特性的差异,研究其增强分子对可见光的吸收,增强拉曼散射和增强光催化的作用。本研究将真空镀膜应用到纳米技术和表面等离激元领域,拓展了真空镀膜的应用范围,同时为纳米颗粒的制备及其局域表面等离激元特性的研究提供了一种独特的方法。

新型量子点场效应增强型单光子探测器

针对量子点场效应单光子探测器(QDFET)光吸收效率低下的问题,提出了一种新型量子点场效应增强型单光子探测器(QDFEE-SPD).QDFEE-SPD增加了共振腔的设计,并采用了GaAs/AlAs多层膜作为下反射镜;对QDFEE-SPD的光吸收增强效应和光响应度进行了理论分析和模拟,结果表明,与没有共振腔时相比,QDFEE-SPD的吸收效率和光相应度都有了大幅度的提升,同时为了光吸收的最优化,吸收层厚度一般应在0.1—0.5μm;对QDFEE-SPD的材料样品进行了生长和测试实验,反射谱测试和PL谱测试结果表明,QDFEE-SPD对入射光的吸收具有了明显的增强效应.文章成果为高效率量子点场效应单光子探测技术的研究提供了新的思路.

不同数值模式模拟黑碳气溶胶光学特性的差异分析

大气黑碳气溶胶具有强吸光能力,由于形状和混合结构十分复杂,其光学特性具有较大不确定性。使用三维仿真建模工具EMBS建立不同分形维数(Df为1.8和2.6)和混合结构的黑碳单颗粒模型,采用耦合离散偶极近似(DDA)方法计算光吸收强度(E_(abs))、单次散射反照率(SSA)和光吸收截面(C_(abs)),并与多球T矩阵(E_(abs))和Mie散射方法的计算结果进行对比。研究发现E_(abs)模型的E_(abs)结果对包裹程度F比较敏感,而DDA模型的E_(abs)结果对黑碳包裹层厚度的敏感性更高。DDA和E_(abs)模拟结果的差异主要来源于:1)DDA和E_(abs)方法中黑碳聚集体和包裹层形状的差异造成E_(abs)和C_(abs)的相对偏差分别为20%和23%;2)黑碳包裹层的相对位置变化导致光学结果具有2%~4%的相对偏差。因此DDA和E_(abs)方法的模型形状和结构差异导致光学模拟结果可能出现较大差异。

利用近红外光激发的光声血管造影成像

利用近红外光结合对应波长的光吸收增强对照剂来实现在体小鼠脑皮层血管的光声成像.近红外光在生物组织上有较深的穿透能力;而作为光吸收增强剂的外源染料吲哚菁绿注射到血液系统后则增加了血管对光的选择性吸收,从而增强了血管光声信号的强度.实验在不破坏脑头皮和头盖骨的前提下,通过静脉注射吲哚菁绿,获得小鼠脑皮层血管的光声造影成像.光声重建的血管网络与小鼠脑部解剖照片相当符合.实验结果证明近红外光结合光吸收增强剂的光声血管造影技术对于开展光声脑功能成像,光声分子成像提供了潜在的可行性.