多缝隙纳米天线的设计及优化

发布时间：2020-06-12 16:30

【摘要】：纳米天线是一种尺寸在纳米量级的天线,不同于传统微波和射频天线,其工作波段为光波段,工作原理是基于表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)。通过改变纳米天线的尺寸、结构、材料等因素可以调控SPPs,使得纳米天线可以在多种领域内工作。近年来,由于化石燃料使用量增加导致环境污染严重,清洁可再生能源的利用显得尤为重要。其中,太阳能作为可持续使用的绿色能源,其具有能量密度大、分布范围广、易于收集等特点,是重要的清洁可再生能源之一。针对传统太阳能电池存在转换效率低及受工作环境影响较大等问题,研究人员开始设计各种基于SPPs的纳米天线用于能量收集。与传统太阳能电池相比,纳米天线具有吸收波段宽、吸收率高、受环境影响小等优点。本文分别使用传统纳米天线设计方法及遗传算法(Genetic Algorithm,GA)辅助设计纳米天线的新方法分别设计了多谐振U形缝隙纳米天线和双领结双环缝隙纳米天线用于能量收集。首先,基于SPPs模式设计了多谐振U形缝隙纳米天线,并使用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)研究其阵列的吸收特性及物理参数变化对吸收特性的影响。其结构是在矩形纳米天线上刻蚀4个U形缝隙,改变银纳米颗粒的自由电子分布及表面电流走势。因此,可以通过改变4个U形缝隙的尺寸来调控SPPs,得到高吸收率的纳米天线。结果表明,此纳米天线阵列在400-1400nm波段具有良好的吸收特性,其平均吸收率超过50%。此外,由于纳米天线的可调控参数多,则不同的结构尺寸组合可以让此纳米天线表现出不同的特征,使其能够满足各种环境需求。其次,基于GA优化设计双领结双环缝隙纳米天线。传统的纳米天线设计方法是基于经验公式,对于纳米天线的可调控参数过多的情况,其设计过程显得比较繁琐,多参数同步调控难以实现。而GA具有自适应性强、通用性强、并行计算、种群搜索、操作简单等优点,可以轻松实现多参数同步调控,并且高精度的计算出高性能的纳米天线结构。因此,本文采用GA辅助设计纳米天线的新方法设计了双领结双环缝隙纳米天线。GA是一种模仿自然界“优胜劣汰,适者生存”的自适应随机搜索算法,利用适应度函数控制种群进化方向,使用选择运算对种群进行筛选,保留优良个体,通过交叉和变异运算产生新种群。通过多次迭代进化让种群适应环境能力越来越强,即纳米天线的性能越来越好,得出满足要求的纳米天线。结果表明,通过GA优化后得到的双领结双环缝隙纳米天线具有较好的吸收特性,其阵列在400nm-1800nm波段内平均吸收率超过77%。在400nm-1200nm、1460nm-1650nm波段内吸收率均超过60%。其受入射光偏振角度的影响较小,且在±60°大入射角度的平均吸收率仍可以超过75%。本文设计的两种纳米天线都具有宽吸收波段和高吸收率的特点,都可以吸收可见光及红外波段的能量,利用此纳米天线制作太阳能吸收器可以解决传统太阳能电池转换效率低及在夜间和阴雨天无法工作等问题。同时,优化算法辅助设计纳米天线的新方法降低了纳米天线设计的随机性及盲目性,提高了设计出高性能纳米天线的精确度。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【参考文献】