Figur 1:En tunn fotonisk kristall i 3D med en diamantliknande nanostruktur upplyses av vitt ljus från valfri riktning (svart pil). Många färger reflekteras starkt omnidirektionellt oavsett infallsvinkel (svart pil). I det här exemplet, dessa är färgerna från orange till blått. Kredit:University of Twente
Genom avancerade beräkningar upptäckte fysiker och matematiker vid University of Twente att en tunn, diamantliknande fotonisk nanostruktur reflekterar ett överraskande brett spektrum av ljusfärger, från alla vinklar. Detta gör att materialet har stor potential som en backreflektor för att öka effektiviteten hos solceller eller små on-chip-ljuskällor.
Resultaten publicerades den 26 april i den ledande fysiska tidskriften Fysisk granskning B .
Solcellernas effektivitet beror på att fånga upp och absorbera ljus och kan ökas genom att använda en bakreflektor:en spegel bakom solcellsmaterialet som reflekterar ljus som inte absorberades och leder tillbaka det till solcellen. Den perfekta spegeln reflekterar ljus från alla vinklar, känd som omnidirektionell reflektion, och för alla frekvenser (eller färger) av ljus. Sådan omnidirektionell reflektion för dielektriska strukturer är associerad med tredimensionella fotoniska kristallnanostrukturer som upprätthåller ett så kallat komplett fotoniskt bandgap. Dock, forskare trodde alltid att sådana strukturer skulle ha ett smalt frekvensintervall och deras omnidirektionella beteende har aldrig visats hittills.
Ett tvärvetenskapligt team av fysiker och matematiker från University of Twente har nu utfört avancerade beräkningar på ett mycket lovande material som utvecklats i gruppen Complex Photonic Systems. "Vi studerade så kallade inversa vedhög fotoniska kristaller", säger doktoranden Devashish. "Dessa kristaller består av regelbundet ordnade grupper av porer som borras i två vinkelräta riktningar i en skiva av dielektrikum som kisel. Kristallstrukturen är inspirerad av diamant ädelstenar."
Forskarna studerade reflektiviteten hos de kubiska diamantliknande omvända vedhögkristallerna genom numeriska beräkningar och tolkade de senaste experimenten. De använde finite element -metoden för att studera dessa kristaller omgiven av ledigt utrymme. "Vi fann att även mycket tunna inversa högar starkt reflekterar många färger av ljus omnidirektionellt", Säger Devashish. "Inverterade vedstaplar, absorptionen av ljus är försumbar. Detta gör dem till en utmärkt kandidat som ryggreflektor i solceller. Vi förväntar oss också att dessa diamantliknande fotoniska kristaller kan leda till lasrar på chip, osynlighetskläder och anordningar för att begränsa ljus i extremt små volymer. "
Figur 2:De beräknade reflektivitetsspektra för alla orienteringar av det infallande ljuset. Ljus som inte kan komma in i kristallerna reflekteras, signalerar att dessa färger är helt förbjudna att existera inuti kristallerna, som är signaturen för det fotoniska bandgapet. Forskarna observerar att ljus för ett brett spektrum av färger alltid reflekteras för alla infallsvinklar och för båda riktningarna, även för en tunn kristallplatta. Den mörkblå färgen representerar hög reflektivitet som förekommer i stoppbandet för alla vinklar. Den vita färgen representerar nära 0% reflektivitet. De orange streckade linjerna markerar det breda frekvensområdet där ljuset reflekteras för alla infallsvinklar. Kredit:University of Twente
