一种高辐射效率全极化的纳米天线

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种高辐射效率全极化的纳米天线。

背景技术

光学纳米天线是一种可将近场局域光场和远场辐射光场进行高效自由转换的纳米尺度装置。

光学纳米天线是基于金属纳米颗粒在光波频率下的局域等离子体激元共振增强效应，具有共振增强效应的纳米天线能够极大地提高局域场，有效地收集光能，这使其在能源收集等领域具有广泛的应用。在红外光频能量收集领域，光学纳米天线最重要的参数为接收效率，基于天线互易定理，接收效率即为辐射效率。因此，设计出拥有良好辐射效率的纳米光学天线具有非常重要的意义。

西安电子科技大学在其申请的中国发明专利“一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法”(申请号：201710307614.8，公布号：CN 107104521 A)中提出了一种基于太阳能收集的纳米天线设计方法。该方法首先基于时域有限差分法建立仿真模型，获得天线的辐射效率，然后通过数值计算得到银螺旋纳米天线在整个工作波长400～1600nm的总吸收率为74.49％，进而评估所设计的螺旋纳米天线结构，最后对于不同尺寸的螺旋天线，以总吸收效率表征选择最终的天线尺寸，确定最优的天线结构。但是，该方法仍然存在的不足之处是，总辐射效率较低，导致该纳米天线太阳能电池的光电转化效率较低。

北京空间飞行器总体设计部在其申请的中国实用新型专利“一种用于红外能量转换的纳米天线”(申请号：201520186809.8，公布号：CN 204577575 U)中提出了一种用于红外能量收集的纳米天线结构，纳米天线包括左臂、右臂以及采用单层绝缘层的整流二极管，其左臂与右臂交叉成蝴蝶结形状，并且两臂中间夹有整流器，三者一体成型。通过调整天线的数量，共振波长发生明显红移，且峰位处的局域场强度和感应电流逐渐增大，再适当的增加天线的厚度和降低两臂尖端的有效间距获得更强的局域场强度和更大的输出电流。但是，该纳米天线仍然存在的不足之处是，由于该纳米天线是由左右两臂组成的，因此其为线极化天线，没有兼顾太阳光的任意极化特性，只能接收一半的太阳功率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的不足，提出一种高辐射效率全极化的纳米天线，本发明主要用于太阳能收集的纳米天线的总收集效率。

技术方案：一种高辐射效率全极化的纳米天线，包括上臂、下臂、左臂和右臂；上臂、下臂、左臂和右臂均为领结臂，所述上臂与下臂为镜像结构；所述左臂与右臂为镜像结构，且四个领结臂成轴对称。

进一步地，所述的四个领结臂的辐射体形状为弯角形。

进一步地，所述的高辐射效率全极化的纳米天线材质选取Au、Pt、Ag、Cu、Al、Ni、V、Cr和W中的一种。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明提出了一种高辐射效率全极化的光学纳米天线，该光学纳米天线是由四个领结臂组成的，相比于现有的天线设计，本发明同时实现了高效率与全极化地收集太阳能。

附图说明

图1是本发明的纳米天线结构示意图；

图2是一种高辐射效率全极化的纳米天线的设计方法的流程图；

图3是本发明的纳米天线的间隙距离对光学纳米天线总辐射效率的影响图；

图4是本发明的纳米天线的弯角半径对光学纳米天线总辐射效率的影响图；

图5是本发明的纳米天线的领结角度对光学纳米天线总辐射效率的影响图；

图6是本发明的纳米天线臂的厚度对光学纳米天线总辐射效率的影响图；

图7是本发明的纳米天线的基底介质厚度对光学纳米天线总辐射效率的影响图；

图8a-图8c是本发明的不同极化入射光对纳米天线的电场强度影响图；

其中：

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

具体实施例1

一种高辐射效率全极化的纳米天线，包括上臂1、下臂2、左臂3和右臂4；上臂1、下臂2、左臂3和右臂4均为领结臂，所述上臂1与下臂2为镜像结构；所述左臂3与右臂4为镜像结构，且四个领结臂成轴对称。

进一步地，所述的四个领结臂的辐射体形状为弯角形。

进一步地，所述的高辐射效率全极化的纳米天线材质选取Au。

一种高辐射效率全极化的纳米天线的设计方法，包括以下步骤：

(1)基于辐射效率，提出一种双顶角领结纳米天线：

辐射效率η

其中，R

(2)初始化双顶角领结纳米天线的尺寸：

双顶角领结纳米天线的初始结构参数为：天线的馈电间隙g＝20nm，天线臂高度H＝120nm，弯角半径r＝20nm，领结半径R＝50nm，基底介质的表面尺寸为1000nm*1000nm，基底介质厚度D＝0；

(3)基于时域有限差分法建立仿真模型：

基于时域有限差分法建立仿真模型，获得天线的辐射效率η

(4)计算双顶角领结纳米天线在工作波长400-1600nm的总收集效率η

其中，λ是电磁波的波长，η

其中，T是进行太阳能收集时，太阳表面的绝对温度，其值为5780K，h是普朗克常数，c是真空中的光速，k是玻尔兹曼常数，λ表示电磁波的波长；

(5)对于不同尺寸的双顶角领结纳米天线，以总收集效率表征选择最终的天线尺寸，确定最优的天线结构。

进一步地，每次确定一个可变参数，天线参数扫描范围为：天线间隙距离的范围为25-105nm，天线间隙距离的取值步长为20nm，弯角半径的范围为0°-60°，弯角半径的取值步长为20°，领结角度范围为40°-90°，领结角度的取值步长为10°，天线臂的高度范围为60-140nm，天线臂的高度取值步长为20nm，基底介质厚度范围为0-2000nm，0nm代表没有介质的情况，重复步骤(3)-(4)，从中选取总收集效率最高的天线结构作为最优的天线尺寸。

各参数获得的总收集效率，参照图3-7所示。

确定最优的天线尺寸后，验证双顶角领结纳米天线的极化特性。通过在垂直于天线的表面方向上施加平面波激励，入射光的极化方向在介质水平面上，与水平方向的夹角θ取值分别为0°，45°，90°，天线间隙处的中心位置平面为电场的观测位置。由图8a-8c可知，在不同极化方向的入射光作用下，本发明的纳米天线都会产生电磁场的增强，对入射光极化方向的变化表现出一定的稳定性，适合用于任意极化的太阳光的吸收。以下分析以直角坐标系为参照，x轴表示水平方向，y轴表示竖直方向：

采用不同极化方向的入射光激励分析近场的电场增强特性，设置天线的间隙距离为85nm，天线的弯角半径为20nm，天线的角度为50°，天线的厚度为120nm，基底介质的厚度为1000nm*1000nm*200nm。设定垂直天线表面的入射光，极化方向在天线表面所在的平面上，与水平方向的夹角θ取值分别为0°，45°，90°，天线间隙处的中心位置平面为电场的观测位置。

如图8a所示，当θ＝0°时，入射光电场只在x轴方向上有分量，y轴方向上电场强度为0。从图8a中可以看出，电场主要分布在x轴方向的天线臂周围。天线臂末端电荷的积累加之x轴方向的两个天线臂之间发生的耦合作用，使天线中心处的电场强度比其他区域的电场强度强很多。

如图8b所示，当θ＝45°时，入射电场在x方向和y方向具有相同的分量，图8b为此时的局域电场分布图，四个天线臂区域具有近乎相同的电场分布，相邻天线臂的电场耦合作用使得中心区域的电场最强。

如图8c所示，当θ＝90°时，入射光电场只在y轴方向上有分量，电场主要分布在y轴方向的天线臂周围,恰好与θ＝0°时的电场分布相反。

综上可知，入射光极化方向改变时都会产生明显的电场增强，本发明的纳米天线对于不同入射光极化方向具有一定的稳定性。而且三个不同极化方向获得的间隙处电场的场增强值分别为49.7905V/m，45.887V/m，49.7905V/m，处于同等量级，即该纳米天线具有与极化无关的特性。

具体实施例2-9

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于高辐射效率全极化的纳米天线材质不同：

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。