CN109283401A - 基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法 - Google Patents

基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测定螺旋纳米天线辐射效率的方法，主要解决现有技术的对纳米天线辐射效率测量值低的问题。其实现方案是:在设定波长的光波照射下，产生天线馈电端的感应电流；基于多物理场仿真软件对银螺旋纳米天线进行电磁仿真，获得感应电流I的幅值随波长的变化情况；再将感应电流馈入纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到热结与环境的温差ΔT；再根据温差ΔT和塞贝克系数得到热电偶冷端的开路电压；根据感应电流和开路电压求出接收功率，从而算出银螺旋纳米天线的辐射效率。本发明的通过热电偶来间接实现对银螺旋纳米天线辐射效率的准确测量，可用于太阳能收集系统。

Description

基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，特别涉及一种纳米螺旋天线辐射效率测试方法，可用于太阳能收集系统。
背景技术
目前市场上出现的太阳能电池都是基于半导体的光生伏打效应，即利用光的粒子性，而由爱因斯坦提出的光的波粒二象性，可以根据光的波动性利用天线吸收太阳光，再将天线产生的高频交流电整流成直流电供外载使用。美国的Bailey于1972年提出了首个天线太阳能电池的模型。1984年，Marks给出了一种新的整流天线结构，由偶极子阵列和全波整流器构成。目前国际上对于整流天线太阳能电池的研究尚处于基础理论与试验中，实物天线电池尚未出现。纳米整流天线的转换效率包括天线接收效率、天线与二极管之间的阻抗匹配效率以及整流效率。而首要的研究问题就是天线的接收效率，根据天线互易性定理，天线接收效率即为天线的辐射效率。Vandenbosch and Ma首先研究了置于基底介质上的五种金属材料的250nm偶极子天线，仿真结果给出了波长在400-1400nm范围五种金属材料的天线总辐射效率：银61.6％、铝50.3％、金34.3％、铜29.5％、铬9.4％，银展现出最高的辐射效率。而后，出现了花型金偶极子天线，其总辐射效率较Vandenbosch and Ma提出的金偶极子提高了32.7％。上述提出的天线都是线极化的，而太阳光是任意极化的，因此照射到它们的太阳功率密度将减半，即上述天线的辐射效率都将减半。在射频领域，螺旋天线被认为是与极化无关的宽频天线。由于这些特点，已有研究者将螺旋天线应用于能量的收集。然而存在不足：1.大部分的螺旋纳米天线研究集中于近红外频段，并没有真实地覆盖整个太阳光谱，而且其主要研究该类天线的近场特性—由表面等离激元导致的螺旋单元间隙处的电场增强效应。2.目前尚无研究者对螺旋纳米天线的辐射效率进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热电偶的纳米光学天线辐射效率测试方法，以解决上述现有技术不能对收集太阳能的螺旋纳米天线辐射效率测定的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)使用一个银螺旋纳米天线收集太阳能；
(2)在天线馈电间隙处增设一个偶极子天线，该偶极子天线其中一根臂由钛线组成，另外一根臂由镍线组成以构成热电偶；
(3)用平面波照射银螺旋纳米天线，产生感应电流，基于多物理场仿真软件COMSOLMutiphysics，对银螺旋纳米天线进行电磁仿真，获得感应电流I的幅值随波长的变化情况；
(4)将感应电流馈入纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到温度随时间变化的分布图，观察电流馈入30秒的温度分布情况，得到热结与环境的温差ΔT；
(5)根据热结与环境的温差ΔT，得到热电偶冷结端的开路电压VOC；
(6)根据冷结端开路电压VOC计算天线接收功率P0。
(7)根据天线接收功率P0计算纳米天线辐射效率：其中P1表示太阳辐射功率。
作为优选，所述(1)中银螺旋纳米天线，其材料为银，结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成，天线臂的宽度与两臂之间的间距相同，臂的环数为1环，宽度为40nm，两臂间距为高度为60nm，天线的馈电间隙g＝20nm。
作为优选，所述(2)中设计的偶极子天线，长度为45nm，宽度为20nm，高度为40nm。
作为优选，所述(5)中的热电偶冷结端的开路电压VOC，是过塞贝克效应公式VOC＝ΔT(SA-SB)计算得到，其中SA表示钛线的塞贝克系数，SB表示镍线的塞贝克系数，在实验环境为空气且不考虑阻抗不匹配的情况下,SA＝7.19μV/K,SB＝-19.5μV/K,μV表示电压单位，K表示温度单位；
作为优选，所述(6)中计算天线接收功率P0，是在纳米天线的感应电流全部馈入偶极子天线的情况下，通过计算得到：P0＝VOC×I，其中，VOC为热电偶冷结端的开路电压，I为感应电流。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明使用材料为银的螺旋纳米天线收集太阳能，在对于偶极子纳米天线各材料的辐射效率测量中：银为61.6％、铝为50.3％、金为34.3％、铜为29.5％、铬为9.4％，可见银具有最高的辐射效率。
2.本发明使用螺旋结构的纳米天线收集太阳能，在不同极化方向的入射光作用下，螺旋结构的纳米天线有较强的电场增强，对不同极化方向的入射光表现出不敏感性，具有一定的稳定性，适合用于任意极化的太阳光的收集。
3.本发明使用环数为1的螺线纳米天线收集太阳能，随着纳米螺旋天线环数的增加，天线的总辐射效率增加，但是增加幅度不大，考虑到环数增加，天线的物理尺寸增大，选择1环的情况，总辐射效率为71.83％。
4.本发明由于在银螺旋纳米天线的馈电间隙增加一个偶极子天线，可将对测量银螺旋纳米天线的接收功率间接转化成测量偶极子天线的功率，提高了测量精度。
5.本发明由于采用银螺旋纳米天线，当严格满足真空条件或者各个波长的输入阻抗与热结匹配时，可以将完全的电能转化为热能，因而比现有不足1％的辐射效率有明显所提高。
附图说明
图1是本发明的测试流程图：
图2是本发明选用的银螺旋纳米天线和基底介质三维图；
图3是加馈电端的螺旋天线结构图；
图4是本发明的偶极子天线装置图；
图5是本发明的测试实验整体装置图；
图6是仿真本发明中银螺旋纳米天线的感应电流随波长变化图；
图7是在真空条件下仿真本发明中银螺旋纳米天线及基底介质的温差分布图；
图8是在真空条件下仿真真本发明中银螺旋纳米天线及基底介质的温差随时间变化图；
具体的实施方案
下面结合附图对本发明进行详细描述：
参照图1流程图，本发明的实现步骤如下：
步骤1：选取一个银螺旋纳米天线，用于收集太阳能。
纳米天线的材料主要是金、银、铜、铝不同的金属，Vandenbosch and Ma首先研究了置于基底介质上的五种金属材料的250nm偶极子天线，仿真结果给出了波长在400-1400nm范围五种金属材料的天线总辐射效率：银61.6％、铝50.3％、金34.3％、铜29.5％、铬9.4％，该数据表明银展现出最高的辐射效率。
对于纳米天线的结构主要是偶极子、蝶形、八木、螺旋等形状，在不同极化方向的太阳光作用下，螺旋结构的纳米天线有较强的电场增强，对不同极化方向的入射光表现出不敏感性，具有一定的稳定性，适合用于任意极化的太阳光的收集，故本发明选择银螺旋纳米天线收集太阳能。
参照图2，所述的银螺旋纳米天线是用于对太阳光进行收集并吸收能量的装置，其由两个共面的阿基米德螺旋臂组成，天线臂的宽度与两臂之间的间距相同，臂的环数为1环，宽度为40nm，两臂间距为高度为60nm，天线的馈电间隙g＝20nm。图2中的基底介质是由二氧化硅制成的，目的在于为了制造方便，设计的螺旋纳米天线应放在起支撑作用的介质，其尺寸为500nn×500nm，介质厚度范围为0-5000nm，0nm代表没有介质的情况，介质的介电常数为2.25。
步骤2：在螺旋纳米天线馈电间隙处增设一个偶极子天线，以构成热电偶。
目前现有技术是直接对银螺旋纳米天线进行接收功率的测量，其测量的辐射效率结果不足1％，故本发明将银螺旋纳米天线的接收能量馈入热电偶，将银螺旋纳米天线的接收能量转化成热能的测量。
参照图4，在银螺旋纳米天线的中心馈电间隙处放置一个偶极子天线，以构成热电偶，该偶极子天线的一根臂由钛线组成，另外一根臂由镍线组成，钛线和镍线用于对感应电流进行传导，参照图5，偶极子天线的两臂交汇的地方称为热结端，两臂分开的一端称为冷结端，将偶极子天线的热结端放置在银螺旋纳米天线中心处，用于将天线的接收能量馈入到热电偶，两个冷结端用于后续对开路电压的测量，该偶极子天线的长度为45nm，宽度为20nm，高度为40nm。
参照图5，偶极子天线的两臂被基底介质所包围，在基底介质的下方放置金属地平面用来反射进入基底介质的辐射，使得银螺旋纳米天线具有单向辐射方向图。该地平面的厚度其中λ0是真空中的波长，εr是基底绝缘介质的介电常数。
步骤3：仿真获取银螺旋纳米天线的感应电流随波长在400-1600nm的变化情况。
由平面波照射螺旋纳米天线结构，求解如的方程获得电磁强度E：
其中,μr为相对磁导率，k0为波矢,εr为相对介电常数,σ为电导率，ω为角频率，ε0为真空介电常数；
由电磁强度E进一步获得天线馈电处的电流密度j:
该电流密度包括天线上的传导电流和位移电流，介电常数ε(ω)的实部代表位移电流项，与射频天线类似；虚部则代表传导电流，亦是欧姆损耗；
通过对馈电处天线截面进行电流密度积分,即可获得天线的感应电流I：
利用多物理场仿真软件COMSOL Mutiphysics仿真获取在波400-1600nm的银螺旋纳米天线的感应电流，其实现步骤如下：
(3a)对银螺旋纳米天线的结构进行建模，设置天线臂的环数N＝1、宽度W＝40nm、高度H＝60nm；
(3b)设定入射光在表面的垂直方向，极化方向在天线表面所在平面上，设定入射光的强度为1V/m；
(3c)将银螺旋纳米天线的馈电间隙中心作为观测点，记录该点随波长在400-1600nm的感应电流的变化情况，及如果如图6所示。
从图6可以看出，银螺旋纳米天线在波长400-1600nm范围内的感应电流主要集中在0.59-1.55nA。
步骤4：将感应电流馈入银螺旋纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到温度随时间变化的分布图，得到30秒的温差ΔT。
向银螺旋纳米天线中心的热结处通入感应电流并在螺旋纳米天线及基底介质进行热传导，所有结构在真空环境下，不同波长的感应电流不同，由图6可知，银螺旋纳米天线在波长1060nm时感应电流为1.2nA，对波长在1060nm的热结温度场进行仿真，其仿真步骤如下：
(4a)对银螺旋纳米天线的结构进行建模，设置天线臂的环数N＝1、宽度W＝40nm、高度H＝60nm、介质尺寸为500nm×500nm×200nm；
(4b)在银螺旋纳米天线的中心间隙处对偶极子天线的馈电端进行建模，设置馈电端的长L1、宽W1、高H1为45nm、20nm、40nm，如图3所示；
(4c)在馈电端中间对热结进行建模，其长、宽、高为10nm、20nm、40nm，如图5所示；
(4d)设定整个银螺旋纳米天线的实验环境为真空，设定热结馈入电流I＝1.2nA，在银螺旋纳米天线及基底介质中进行热传导，在其热温度场下，仿真得到30s的螺旋纳米天线及基底介质的温差分布，如图7所示；同时，观测记录温差随时间的变化情况，如图8所示。
由图8可得，热结的一部分温度传导到介质而导致热结温度下降，其最大温差ΔT约为2100K。
步骤5：根据热结与环境的温差ΔT，得到热电偶冷结端的开路电压VOC。
根据塞贝克效应公式:VOC＝ΔT(SA-SB)计算热电偶冷结端的开路电压VOC：
其中SA表示钛线的塞贝克系数，SB表示镍线的塞贝克系数，在实验环境为真空且不考虑阻抗不匹配的情况下，SA＝7.19μV/K,SB＝-19.5μV/K,μV表示电压单位，K表示温度单位；
由步骤4得出波长在1060nm时，最大温差ΔT＝2100K，故热电偶冷结端的开路电压VOC＝2100×[7.19-(-19.5)]＝56049μV。
步骤6：根据冷结端开路电压VOC计算天线接收功率P0。
在纳米天线的感应电流全部馈入偶极子天线的情况下，通过如下公式计算出天线接收功率P0：
P0＝VOC×I
其中，I为感应电流。
由上述步骤5可知，开路电压为56049μV，其对应的感应电流为1.2nA。
则接收功率：P0＝56049×10-6×1.2×10-9＝6.72588×10-11。
步骤7：根据天线接收功率P0计算纳米天线辐射效率η。
根据天线的辐射效率公式：
其中P1表示太阳辐射功率。
太阳辐射功率P1可由玻尔兹曼辐射定律计算，即
其中,σ表示玻尔兹曼常数，σ＝5.670×10-8W·m-2K-4，W表示功率单位，m表示距离单位；T表示太阳表面绝对温度，T＝5780K；R表示太阳半径，R＝6.955×105km；D表示太阳到地球的距离，D＝149.6×106km，A表示银螺旋纳米天线的接收面积。
对于银螺旋纳米天线的的接收面积可近似为两个圆环的面积，即
A＝5600π+12000π＝17600πnm2≈5.53×10-14m2
可得
则纳米天线辐射效率
上述计算表明波长在1060nm的银螺旋纳米天线的辐射效率为84.77％，对于太阳光在宽频区域400-1600nm范围内，辐射效率是各不相同的。而对于辐射效率为84.77％，显然介质的存在使得温度梯度朝下，一部分温度传导到介质而热结温度下降。若想保存热量需要在天线与介质之间加绝缘层实现热隔离以保证热结温度不被导走，使热结热量只对银螺旋纳米天线进行传导。
所以，要想测量出更高的辐射效率，必须遵循以下两个严格条件：
第一，将热结进行热隔离，并通过在真空中实验来防止热结热量的散失，确保热结的能量可以直接用来计算馈电端的能量；
第二，确保材料的热结电阻值与每一个波长的阻抗匹配或者在热结之前完成全匹配网络，保证天线能量无反射地传递给热阻。
如果上述两个要求严格达到，则塞贝克电压的值直接对应天线接收的能量。
综上所述，通过采用本发明的测试方法，可以较精确地测到纳米光学天线的辐射功率值，为纳米光学天线辐射效率测试的实验工作提供理论依据。
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。

Claims (7)

1.基于热电偶的纳米天线辐射效率测试方法，包括：
(1)使用一个银螺旋纳米天线，用以收集太阳能；
(2)在纳米天线馈电间隙处增设一个偶极子天线，该偶极子天线其中一根臂由钛线组成，另外一根臂由镍线组成以构成热电偶；
(3)用平面波照射银螺旋纳米天线，产生感应电流，基于多物理场仿真软件COMSOLMutiphysics，对银螺旋纳米天线进行电磁仿真，获得感应电流I的幅值随波长的变化情况；；
(4)再将感应电流馈入纳米天线中心的热结电阻处，对热电偶进行仿真，得到温度随时间变化的分布图，观察电流馈入30秒的温度分布情况，得到热结与环境的温差ΔT；
(5)根据热结与环境的温差ΔT，得到热电偶冷结端的开路电压VOC；
(6)根据冷结端开路电压VOC计算天线接收功率P0。
(7)根据天线接收功率P0计算纳米天线辐射效率：其中P1表示太阳辐射功率。
2.根据权利要求1的方法，其中(1)中使用的银螺旋纳米天线，其材料为银，结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成，天线臂的宽度与两臂之间的间距相同，臂的环数为1环，宽度为40nm，两臂间距为高度为60nm，天线的馈电间隙g＝20nm。
3.根据权利要求2的方法，其中螺旋纳米天线的基底介质表面尺寸为500nn×500nm，介质厚度范围为0-5000nm，0nm代表没有介质的情况；介质材料为介电常数为2.25的或二氧化硅。
4.根据权利要求1的方法，其中(2)中设计的偶极子天线，长度为45nm，宽度为20nm，高度为40nm。
5.根据权利要求1的方法，其中(5)中的热电偶冷结端的开路电压VOC，是通过塞贝克效应公式VOC＝ΔT(SA-SB)计算得到，其中SA表示钛线的塞贝克系数，SB表示镍线的塞贝克系数，在实验环境为真空且不考虑阻抗不匹配的情况下，SA＝7.19μV/K，SB＝-19.5μV/K，μK表示电压单位，K表示温度单位。
6.根据权利要求1的方法，其中(6)中计算天线接收功率P0，是在纳米天线的感应电流全部馈入偶极子天线的情况下，通过如下公式计算：
P0＝VOC×I
其中，VOC为热电偶冷结端的开路电压，I为感应电流。
7.根据权利要求1的方法，其中(7)中的太阳辐射功率P1，其计算公式为：
其中,σ表示玻尔兹曼常数，σ＝5.670×10-8W·m-2K-4，W表示功率单位，m表示距离单位；T表示太阳表面绝对温度，T＝5780K；R表示太阳半径，R＝6.955×105Km；D表示太阳到地球的距离，D＝149.6×106Km,A表示螺旋纳米天线的接收面积。
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