DE102005041069A1 - Thermal radiation device, has radiation surface of crystalline material formed from photonic crystal with periodic structure, where exterior of crystal includes thin coating of coating material such as aluminum, oxides and thorium oxide - Google Patents

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Abstract

The device has a radiation surface of crystalline material that is formed from a two-dimensional (2D) photonic crystal (PC) with periodic structure of its dielectric material to provide photonic band-gap property. The exterior of the crystal is provided with a thin coating (5i) of a coating material such as aluminum, oxides and thorium oxide, and the material has a small emissivity in a frequency range of the band-gap.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Strahlungsvorrichtung mit einer Abstrahlungsfläche eines kristallinen Materials, das von wenigstens einem photonischen Kristall mit periodischer Struktur seines dielektrischen Materials und sich daraus ergebender photonischer Bandlückeneigenschaft gebildet ist. Eine entsprechende Strahlungsvorrichtung ist aus „Physical Review Letters", Vol. 93, No. 21, 19. November 2004, Seiten 213905-1 bis 213905-4 zu entnehmen.The The invention relates to a thermal radiation device with a radiating surface a crystalline material that is of at least one photonic Crystal with periodic structure of its dielectric material and the resulting photonic bandgap property is formed. A corresponding radiation device is made of "Physical Review Letters ", Vol. 93, no. 21, November 19, 2004, pages 213905-1 to 213905-4 refer to.

Eine ideale Strahlungsquelle ist ein so genannter „schwarzer Körper", der eine nach allen Richtungen gleichmäßige Strahlung bestimmter Gesamtenergie und Verteilung auf die Wellenlängen des Spektrums abgibt, wobei die Wellenlängenverteilung lediglich von der Temperatur der Strahlungswand des Körpers abhängt (so genannte „Hohlraumstrahlung"). Für entsprechende Strahlungskörper ist das Planck'sche Strahlungsgesetz anwendbar (vgl. z. B. das Buch „Grundlagen der Optoelektronik" von O. Neunfang, AT-Verlag Aarau/Stuttgart, 1982, Seiten 23 bis 33; oder aus „Lehrbuch der Experimentalphysik" von Bergmann/Schäfer, Verlag W, de Gryter Berlin, Bd. 3 (Optik), 9. Aufl. 1993, Seiten 629 bis 637).A ideal source of radiation is a so-called "black body", one in all directions uniform radiation certain total energy and distribution to the wavelengths of the spectrum gives off, with the wavelength distribution only depends on the temperature of the radiation wall of the body (so-called "cavity radiation") radiant body is Planck's Radiation Act applicable (see, for example, the book "Fundamentals of Optoelectronics" by O. Neunfang, AT-Verlag Aarau / Stuttgart, 1982, pages 23 to 33; or from "textbook the experimental physics "of Bergmann / Schaefer, Publisher W, de Gryter Berlin, Vol. 3 (optics), 9th ed. 1993, pages 629 to 637).

Seit einiger Zeit wird darüber spekuliert, ob mittels photonischer Kristalle die Abstrahlcharakteristik von thermischen Emittern geändert werden kann. In diesem Zusammenhang wurde auch diskutiert, ob das Plank'sche Strahlungsgesetz Gültigkeit hat.since some time will be about it speculates whether by means of photonic crystals the radiation characteristic changed by thermal emitters can be. In this context it was also discussed whether the Plank's radiation law validity Has.

Photonische Kristalle weisen analog zu Kristallen in der Festkörperphysik eine kristalline Struktur mit periodischer Anordnung auf. Hier sind es jedoch nicht Atomrümpfe, die ein periodisches Potenzial für Elektronen darstellen, sondern eine periodische Anordnung unterschiedlicher Dielektrika bzw.Photonic Crystals are analogous to crystals in solid state physics a crystalline structure with periodic arrangement on. Here are but not nuclear hulls, which has a periodic potential for electrons but a periodic arrangement of different Dielectrics or

Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten. Die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomrümpfen in Halbleiterkristallen führt zu einer photonischen Bandstruktur, in der bestimmte Energiezustände in den photonischen Kristallen verboten sind. Analog zu dieser Bandstruktur der Halbleiterphysik existiert bei photonischen Kristallen eine Beeinflussung der Photonen durch die periodischen Dielektrika. Dies führt zu einer photonischen Bandstruktur, in der elektromagnetische Wellen in bestimmten Richtungen bei bestimmten Frequenzen nicht ausbreitungsfähig sind. Gibt es einen Frequenzbereich, in dem in keiner Richtung Ausbreitung möglich ist, so wird dieser als totale photonische Bandlücke bezeichnet. Beschränkt sich dieser Bereich auf einen Teilbereich des Richtungsraumes, so wird dieser Bereich als Stopband bezeichnet. Man teilt die photonischen Kristalle nach der Anzahl der Richtungen ein, in denen ihre Struktur periodisch wiederkehrend ist. So ist ein eindimensionaler (1D) photonischer Kristall eine Anordnung von Dielektrika, die nur in einer Richtung Periodizität aufweist. Ein Beispiel für einen eindimensionalen photonischen Kristall ist ein Bragg-Gitter, das z. B. in DFB-Laserdioden eingesetzt wird. Eine in zwei Richtungen periodische Anordnung heißt folglich 2D-photonischer Kristall, während eine in allen drei Raumrichtungen periodische Anordnung als 3D-photonischer Kristall bezeichnet wird. Eine theoretische Beschreibung solcher photonischer Kristalle geht z. B. aus dem Buch von K.Busch et al. [Ed.]: „Photonic Crystals", Verlag Wiley-VHC, Weinheim (DE), 2004, insbesondere Seiten 1 bis 22, und eine Herstellung entsprechender Kristalle aus demselben Buch, Seiten 63 bis 83, hervor.materials with different dielectric constants. The interaction between electrons and atomic hulls in semiconductor crystals leads to a photonic band structure in which certain energy states in the photonic crystals are prohibited. Analogous to this band structure Semiconductor physics has an influence on photonic crystals of the photons through the periodic dielectrics. This leads to a photonic band structure, in which electromagnetic waves in certain Directions at certain frequencies are not capable of propagation. Is there a frequency range in which propagation is not possible in any direction, this is called a total photonic band gap. Limited this area is on a partial area of the directional space, so will this area referred to as stop band. One shares the photonic Crystals according to the number of directions in which their structure is recurring periodically. So is a one-dimensional (1D) photonic Crystal is an array of dielectrics that only go in one direction periodicity having. An example for a one-dimensional photonic crystal is a Bragg grating, the z. B. used in DFB laser diodes. A two-way periodic arrangement is called consequently 2D photonic crystal, while one in all three spatial directions Periodic arrangement is referred to as 3D photonic crystal. A theoretical description of such photonic crystals goes z. B. from the book by K.Busch et al. [Ed.]: "Photonic Crystals", publisher Wiley-VHC, Weinheim (DE), 2004, especially pages 1 to 22, and a production corresponding crystals from the same book, pages 63 to 83, forth.

In dem eingangs genannten Artikel aus „Physical Review Letters" wurde die Richtigkeit des Planck'schen Strahlungsgesetzes für photonische Kristalle belegt. In diesem Artikel wird die Effizienz von Schwarzkörperstrahlern untersucht. Dabei ist ausgeführt, dass die abgestrahlte Leistung in der photonischen Bandlücke eines photonischen Kristallmaterials, das aus metallischen Säulen besteht, auf den Wert eines entspre chenden unstrukturierten Referenzmaterials gesenkt wird. Damit ist die Effizienz einer solchen Strahlungsvorrichtung wegen der Abstrahlung in dem Bandlückenbereich entsprechend begrenzt.In The article from "Physical Review Letters" was the correct one of Planck's Radiation law for occupied photonic crystals. This article discusses the efficiency of Blackbody radiators examined. It is executed that the radiated power in the photonic band gap of a photonic crystal material consisting of metallic pillars, the value of a corresponding unstructured reference material is lowered. This is the efficiency of such a radiation device limited due to the radiation in the bandgap area accordingly.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die thermische Strahlungsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend zu verbessern, dass ihre Effizienz bzw. ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten thermischen Strahlungsvorrichtungen erhöht wird, d.h. dass die spektrale Verteilung eines thermischen Strahlers der eines idealen schwarzen Körpers so weit als möglich angenähert wird.task Therefore, it is the thermal radiation device of the present invention to improve with the features mentioned in the introduction, that their efficiency or their efficiency compared to known thermal radiation devices is increased, i. that the spectral Distribution of a thermal radiator of an ideal black body as far as possible is approximated.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll die Abstrahlungsfläche, die durch mindestens eine Außenseite des wenigstens einen photonischen Kristalls gebildet ist, mit einer dünnen Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial versehen sein, das im Frequenzbereich der wenigstens einen photonischen Bandlücke eine geringe Emissivität aufweist.These The object is achieved by the measures specified in claim 1 solved. Accordingly, the radiating surface by at least one outside the at least one photonic crystal is formed with a thin Be provided coating of a coating material, the in the frequency range of at least one photonic band gap a low emissivity having.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich mit einer solchen Beschichtung die Abstrahlung in der photonischen Bandlücke weiter unterdrücken lässt. Zugleich wird mit dieser Maßnahme die Emission aus dem Inneren der photonischen Kristalle nicht beeinflusst, da dort keine Beschichtung aufgebracht wird und somit das Emissionsspektrum in Frequenzbereichen außerhalb der Bandlücke praktisch unverändert bleibt. In Frequenzbereichen innerhalb der photonischen Bandlücke wird jedoch der Strahlungshintergrund, der sich durch das Produkt aus Emissivität·Abstrahlungsfläche („·" = Multiplikationszeichen) beschreiben lässt, weitestgehend unterdrückt, da bei einem unendlichen photonischen Kristall die photonische Zustandsdichte gleich null ist bzw. in einem endlichen Kristall exponentiell über wenige Kristalllagen auf null abklingt und damit dort die Emissivität ε stark verändert wird. Auf diese Weise ist also der Wirkungsgrad der Strahlungsvorrichtung zu erhöhen.The invention is based on the recognition that with such a coating, the radiation in the photonic band gap can be further suppressed. At the same time, with this measure, the emission from the inside of the photonic Crystals not affected because there no coating is applied and thus the emission spectrum in frequency ranges outside the band gap remains virtually unchanged. In frequency ranges within the photonic band gap, however, the radiation background, which can be described by the product of emissivity · radiating surface ("×" = multiplication sign), is largely suppressed, since in the case of an infinite photonic crystal the photonic state density is zero or in a finite one Crystal exponentially decays to zero over a few crystal layers and thus there the emissivity ε is greatly changed., In this way, therefore, the efficiency of the radiation device is to increase.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermischen Strahlungsvorrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the thermal radiation device according to the invention go out of the dependent claims out.

So sollte die Emissivität ε des Beschichtungsmaterials im Frequenzbereich der wenigstens einen photonischen Bandlücke um mindestens 50 % geringer sein als die eines unstrukturierten Referenzmaterials, um einen hinreichend deutlichen Effekt der Unterdrückung der Emissivität ε im Bandlückenbereich zu gewährleisten. Deshalb liegt die Emissivität ε des zu wählenden Beschichtungsmaterials im Allgemeinen bei höchstens 0,1, insbesondere deutlich darunter.So should the emissivity ε of the coating material in the frequency range of the at least one photonic band gap by at least 50% less than that of an unstructured reference material, to a sufficiently clear effect of the suppression of Emissivity ε in the bandgap area to ensure. Therefore, the emissivity ε of the one to choose Coating material generally at most 0.1, in particular significantly lower.

Außerdem sollte bei einer Wahl von metallischem Beschichtungsmaterial die Dicke der Beschichtung im Allgemeinen unter 0,1 μm liegen. Denn allgemein sollte die Dicke einer geeigneten Beschichtung so gewählt werden, dass sie (insbesondere im Falle metallischer Beschichtungen) etwa der doppelten bis dreifachen Eindringtiefe des unerwünschten, zu unterdrückenden Lichtes entspricht. Denn dann ist die Intensität der unerwünschten, zu unterdrückenden Strahlung auf 1/e2 bzw. 1/e3 (mit e= Eulersche Zahl) abgefallen. Auf diese Weise wird auch die gewünschte Emission aus inneren Bereichen der photonischen Kristalle nicht behindert.Additionally, with a choice of metallic coating material, the thickness of the coating should generally be less than 0.1 μm. Because generally, the thickness of a suitable coating should be chosen so that it corresponds (in the case of metallic coatings in particular) about twice to three times the penetration depth of the unwanted light to be suppressed. Because then the intensity of the unwanted radiation to be suppressed has fallen to 1 / e 2 or 1 / e 3 (with e = Euler's number). In this way, the desired emission from inner regions of the photonic crystals is not hindered.

Als Material der Beschichtung kann vorteilhaft Aluminium (A1) vorgesehen sein, das eine geringe Emissivität ε, beispielsweise von etwa 0,03, aufweist.When Material of the coating can advantageously be provided aluminum (A1) be that low emissivity ε, for example of about 0.03.

Statt metallischen Beschichtungen können auch andere Beschichtungsmaterialien wie z. B. ein oxidisches Material gewählt sein. Innerhalb dieser Materialgruppe ist besonders Thoriumoxid (ThO2) geeignet, da dieses Material einen starken Einbruch der Emissivität ε im spektralen Infrarotbereich aufweist. Die Emissivität ε entspricht dabei im thermischen Gleichgewicht dem spektralen Absorptionsgrad α(λ) gemäß dem Kirchhoff'schen Gesetz.Instead of metallic coatings, other coating materials such. Example, be selected an oxide material. Thorium oxide (ThO 2 ) is particularly suitable within this material group, since this material has a strong decrease of the emissivity ε in the spectral infrared range. The emissivity ε in thermal equilibrium corresponds to the spectral absorption coefficient α (λ) according to Kirchhoff's law.

Dem Thoriumoxid-Material kann dabei in geringem Umfang Ceroxid-Material (CeO2) hinzugefügt sein.Cerium oxide material (CeO 2 ) can be added to a small extent to the thorium oxide material.

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Beschichtung auch für photonische Kristallmaterial vom 2D oder 3D-Typ geeignet.Of course it is the coating of the invention also for photonic crystal material of the 2D or 3D type suitable.

Bevorzugt ist die thermische Strahlungsvorrichtung als Teil einer Einrichtung der Beleuchtungstechnik oder der Infrarotdetektion oder der Thermovoltaik vorgesehen. Auf diesen Gebieten kommt die erfindungsgemäße Unterdrückung der Emission ε in einem photonischen Bandlückenbereich besonders zum Tragen, wodurch die Effektivität entsprechender Einrichtungen zu steigern ist.Prefers is the thermal radiation device as part of a device lighting technology or infrared detection or thermovoltaics intended. In these areas comes the suppression of the invention Emission ε in one photonic bandgap area particularly effective, thereby increasing the effectiveness of appropriate facilities is to increase.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermischen Strahlungsvorrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen und insbesondere aus der Zeichnung hervor, auf die nachfolgend eingegangen wird. Dabei zeigen derenFurther advantageous embodiments of the thermal radiation device according to the invention go from the above-mentioned subclaims and in particular from the drawing forth, which will be discussed below. This show their

1 und 2 in zwei Diagrammen die Absorption und Emission als Funktion der skalierten Frequenz für einen 2D-photonischen Kristall gemäß dem Stand der Technik, 1 and 2 in two diagrams the absorption and emission as a function of the scaled frequency for a 2D photonic crystal according to the prior art,

3 eine erfindungsgemäße Beschichtung eines 2D-photonischen, von metallischen Säulen gebildeten Kristalls, 3 a coating according to the invention of a 2D photonic crystal formed by metallic columns,

4 und 5 in zwei Diagrammen die spektrale Strahlungsdichte bzw. den spektralen Absorptionsgrad von ThO2 als einem weiteren erfindungsgemäß gewählten Beschichtungsmaterial
sowie 6 und 7 in zwei Diagrammen die Absorption und Emission als Funktion der skalierten Frequenz für einen erfindungsgemäß beschichteten 2D-photonischen Kristall in 1 und 2 entsprechender Darstellung. 4 and 5 in two diagrams, the spectral radiation density and the spectral absorption of ThO 2 as a further inventively selected coating material
such as 6 and 7 in two diagrams, the absorption and emission as a function of the scaled frequency for a coated according to the invention 2D photonic crystal in 1 and 2 corresponding representation.

Die beiden Diagramme der 1 und 2 sind Stand der Technik und der eingangs genannten Literaturstelle entnommen. Auf diese Literaturstelle wird bei den nachfolgenden Ausführungen ausdrücklich Bezug genommen. Die beiden Diagramme zeigen für einen 2D-photonischen Kristall PC dessen Absorption An und dessen normierte Emission En als Funktion der skalierten Frequenz fs (in Einheiten ωa/2Πc mit ω = 2Πν, ν = Frequenz, a = Gitterkonstante, c = Lichtgeschwindigkeit). Physikalisch sind die Absorption und die Emission auf maximal 1 normiert, da kein Strahler stärker sein kann als ein Planckscher Strahler. In den Diagrammen könnte man auch die Absorption in Einheiten von 3·108 [m/s] pro Gitterperiode [m] angeben. Der hier angenommene Kristall sei in bekannter Weise aus acht Lagen von metallischen Säulen bzw. säulenartigen Bereichen gebildet. Die Ausbreitungsrichtung des Lichtes verläuft dabei senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den einzelnen Lagen, wobei das Licht entweder in Längsrichtung der Säulen polarisiert ist (so genannter TM-Mode in 1 bzw. senkrecht zu den Säulen (so genannter TE-Mode gemäß 2). Aus den beiden Figuren ist zu entnehmen, dass die thermische Absorption, dargestellt durch eine gestrichelte Linie An, praktisch gleich der thermischen Emission, dargestellt durch eine durchgezogenen Linie En, ist. Wie weiter aus den Diagrammen hervorgeht, beeinflussen photonische Bandlückenbereiche PBG in dem endlichen 2D-photonischen Kristall PC deutlich die spektrale Emission. Dabei ist insbesondere zu erkennen, dass im Frequenzbereich innerhalb einer Bandlücke PBG die thermische Emission in etwa den Wert eines entsprechenden unstrukturierten Materials bzw. Referenzmaterials annimmt, also immer noch erheblich ist. Die thermische Emission dieses Referenzmaterials ist dabei durch eine strichpunktierte Linie Eref veranschaulicht. Das Referenzmaterial wird dabei bevorzugt gemäß den Gesichtspunkten hoher Emissivität ε im nutzbaren Spektralbereich und Temperaturstabilität ausgewählt.The two diagrams of 1 and 2 are taken from the prior art and the above-mentioned literature. This reference is expressly incorporated by reference in the following remarks. The two diagrams show for a 2D photonic crystal PC its absorption A n and its normalized emission E n as a function of the scaled frequency f s (in units ωa / 2Πc with ω = 2Πν, ν = frequency, a = lattice constant, c = speed of light ). Physically, the absorption and the emission are normalized to a maximum of 1, since no radiator can be stronger than a Planckian radiator. In the diagrams one could also indicate the absorption in units of 3 · 10 8 [m / s] per grating period [m]. The crystal assumed here be formed in a known manner from eight layers of metallic columns or columnar areas. The propagation direction of the light is perpendicular to the interfaces between the individual layers, wherein the light is polarized either in the longitudinal direction of the columns (so-called TM-mode in 1 or perpendicular to the columns (so-called TE-mode according to 2 ). From the two figures it can be seen that the thermal absorption, represented by a dashed line A n , is practically equal to the thermal emission, represented by a solid line E n . As further shown in the graphs, photonic bandgaps PBG in the finite 2D photonic crystal PC significantly affect the spectral emission. It can be seen in particular that in the frequency range within a bandgap PBG the thermal emission approximately assumes the value of a corresponding unstructured material or reference material, ie is still considerable. The thermal emission of this reference material is illustrated by a dot-dash line E ref . The reference material is preferably selected according to the criteria of high emissivity ε in the usable spectral range and temperature stability.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich nun diese thermische Emission En im Bereich der wenigstens einen photonischen Bandlücke PBG deutlich unter die des entsprechenden unstrukturierten Referenzmaterials absenken. Hierzu soll der photonische Kristall auf wenigstens einer seiner Außenseiten mit einem Material beschichtet werden, das in dem Frequenzbereich der jeweiligen Bandlücke PBG eine niedrigere Emissivität ε als das entsprechende unstrukturierte Referenzmaterial hat. Unter einer niedrigeren Emissivität ε wird dabei eine solche verstanden, die um mindestens 50 % kleiner als die des unstrukturierten Referenzmaterials im Bandlückenbereich ist. Bevorzugt sollte die Emissivität ε unter 0,1 liegen, insbesondere unter 0,05. Da die Beschichtung nur auf der wenigstens einen Außenflächen des photonischen Kristalls aufgebracht wird, z. B. durch senkrechtes Sputtern, wird auf diese Weise die gewünschte Emission aus inneren Bereichen des photonischen Kristalls nicht behindert.With the measures according to the invention, it is now possible to lower this thermal emission E n significantly below that of the corresponding unstructured reference material in the region of the at least one photonic band gap PBG. For this purpose, the photonic crystal should be coated on at least one of its outer sides with a material which has a lower emissivity ε than the corresponding unstructured reference material in the frequency range of the respective band gap PBG. In this case, a lower emissivity ε is understood to mean that which is at least 50% smaller than that of the unstructured reference material in the bandgap area. The emissivity ε should preferably be below 0.1, in particular below 0.05. Since the coating is applied only on the at least one outer surface of the photonic crystal, for. B. by perpendicular sputtering, the desired emission from inner regions of the photonic crystal is not hindered in this way.

3 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Aufsicht auf einen Schnitt durch einen 2D-photonischen Kristall PC, also mit zweidimensionaler Periodizität seiner metallischen Stäbchen bzw. Säulen. In der schematisierten Ansicht der Figur sind die einzelnen, untereinander beabstandeten säulenartigen Bereiche des Metalls ersichtlich, die als dielektrische Säulen 3i bezeichnet werden. Eine Darstellung solcher Säulen eines 2D-photonischen Kristalls geht z. B. aus der US 2001/0012149 A1 hervor. Dabei sind die Säulen 3i aus Material mit großer Emissivität ε von Zwischenräumen 4j aus Material vergleichsweise geringerer dielektrischer Konstante wie z. B. Luft umgeben. Die einzelnen dieser Säulen 3i weisen in der Schnittebene eine maximale Ausdehnung bzw. einen maximalen Durchmesser D in der Größenordnung von einigen hundert Nanometern bis zu wenigen Mikrometern oder gegebenenfalls auch darunter auf und sind gegenseitig um einen Abstand s in derselben Größenordnung beabstandet. Die konkret zu wählende Größenordnung hängt dabei von der zu unterdrückenden Wellenlänge ab. 3 shows an exemplary embodiment of a plan view of a section through a 2D photonic crystal PC, ie with two-dimensional periodicity of its metallic rods or columns. In the schematic view of the figure, the individual, spaced-apart columnar regions of the metal are visible, which serve as dielectric columns 3i be designated. A representation of such columns of a 2D photonic crystal is z. B. from US 2001/0012149 A1. Here are the columns 3i of material with high emissivity ε of spaces 4y made of material comparatively lower dielectric constant such. B. surrounded air. The individual of these columns 3i have in the sectional plane a maximum extent or a maximum diameter D in the order of a few hundred nanometers to a few micrometers or possibly even below and are mutually spaced by a distance s in the same order of magnitude. The specific size to be chosen depends on the wavelength to be suppressed.

Wie aus der 3 ferner ersichtlich, ist auf den am Außenrand des photonischen Kristalls PC liegenden Säulen 3i von der Außenseite her jeweils eine dünne Beschichtung 5i aus ei nem vorbestimmten Beschichtungsmaterial aufgebracht. Die Dicke d dieser Beschichtungen 5i soll dabei so gering gewählt werden, dass sie etwa der doppelten bis dreifachen Eindringtiefe des unerwünschten, zu unterdrückenden Lichtes entspricht. Ziel der Beschichtung ist, dass die gesamte sichtbare Außenseite mit einem Material mit niedriger Emissivität ε beschichtet ist. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass man entweder mit einem planparallelen Strahl ein vorbestimmtes Metall wie Aluminium(Al) aufsputtert, wobei dann das Al, das in die Zwischenräume hineinfällt, auf der gegenüberliegenden Seite (quasi „hinten") wieder austritt. Man kann aber auch den photonischen Kristall gemäß 3 diagonal durchschneiden und dann besputtern. Eine solche Maßnahme hätte keinen Einfluss auf die Funktion, und die ersten beiden diagonalen Lagen wären dann mit Al bedeckt.Like from the 3 also seen, is on the lying on the outer edge of the photonic crystal PC columns 3i from the outside in each case a thin coating 5i applied from egg nem predetermined coating material. The thickness d of these coatings 5i should be chosen so small that it corresponds approximately to twice the penetration depth of the unwanted, to be suppressed light. The aim of the coating is that the entire visible outside is coated with a material with low emissivity ε. This can be achieved, for example, by sputtering a predetermined metal such as aluminum (Al) either with a plane-parallel beam, in which case the Al that falls into the intermediate spaces emerges again on the opposite side (quasi "back") but also according to the photonic crystal 3 cut diagonally and then spit. Such a measure would have no effect on the function, and the first two diagonal layers would then be covered with Al.

Als Material mit einer niedrigen Emissivität ε kann beispielsweise das erwähnte Al vorgesehen werden. Dessen Emissivität liegt nämlich zwischen 0,01 und 0,05 (vgl. das genannte Lehrbuch von Bergmann/Schäfer, Seite 635), also bei etwa 0,03. Für Al mit seiner niedrigen Emissivität ε ist die Eindringtiefe von Licht mit 1.5 eV (λ = 820 nm) etwa 77 Å; somit sind Beschichtungen von etwa 20 bis 40 nm Dicke d ausreichend.When Material with a low emissivity ε can, for example, the mentioned Al be provided. Its emissivity is between 0.01 and 0.05 (see the mentioned textbook by Bergmann / Schäfer, page 635), so at about 0.03. For Al with its low emissivity ε is the penetration depth of light with 1.5 eV (λ = 820 nm) about 77 Å; Thus, coatings of about 20 to 40 nm thickness d are sufficient.

Neben metallischen Materialien sind auch selektive Emittermaterialien aus nicht-metallischem Material verwendbar. Ein Beispiel hierfür ist das oxidische Glühstrumpfmaterial von Auer und Welsbach auf Thoriumoxid(ThO2)-Basis, dem noch 1 Ceroxid(CeO2) hinzugefügt sein kann. Dieses Material hat im infraroten Spektralbereich (600 nm bis 6 μm) bzw. dem Spektralbereich, der ausgeblendet werden soll, eine besonders geringe Emissivität ε. Die Dicke d entsprechender Materialien sollte zumindest so groß wie im Fall metallischer Materialien gewählt werden. Im Allgemeinen ist hier d größer als bei Metallen.In addition to metallic materials, selective emitter materials of non-metallic material can also be used. An example of this is the oxidic mantle material of Auer and Welsbach on thorium oxide (ThO 2 ) -based to which one more cerium oxide (CeO 2 ) may be added. This material has a particularly low emissivity ε in the infrared spectral range (600 nm to 6 μm) or the spectral range which is to be blanked out. The thickness d of corresponding materials should be at least as large as in the case of metallic materials. In general, d is larger here than in metals.

In den 4 und 5 sind die spektrale Strahldichte L (in logarithmischem Maßstab) bzw. der spektrale Absorptionsgrad α(λ) entsprechender selektiver Emissionsmaterialien gezeigt. Die Darstellung ist aus dem genannten Lehrbuch von Bergmann/Schäfer, Seite 636, übernommen. Für das Diagramm der 4 wurde ein Glasglühkörper aus dem erwähnten Auerstrumpfmaterial zugrunde gelegt. Man erkennt, dass in einem Spektralbereich λ ≈ 1.4 bis 5 μm die Strahldichte LA des Auerstrumpfmaterials verhältnismäßig klein ist, während die zu Vergleichszwecken ebenfalls gezeigte Strahldichte LSK eines schwarzen Körpers deutlich darüber liegt. Aus dem Diagramm der 5 ist der spektrale Absorptionsgrad α(λ) des Auerstrumpfmaterials (ThO2 mit 1 % CeO2) gerade in dem infraroten Spektralbereich extrem gering, während er außerhalb dieses Bereichs, d.h. im sichtbaren Bereich (etwa 450 nm bis 800nm), eine hohe Emissivität ε von über 0,85 besitzt. Dieses Material ist somit besonders geeignet.In the 4 and 5 are the spectral radiance L (in logarithmic scale) and the spectral absorbance α (λ) corresponding se of selective emission materials. The illustration is taken from the said textbook by Bergmann / Schäfer, page 636. For the diagram of 4 was based on a Glasglühkörper from the mentioned Auerstrumpfmaterial. It is evident that in a spectral range λ ≈ 1.4 to 5 microns, the radiance L A of the stocking Auer material is relatively small, while the radiance L SK also shown for comparison purposes a black body is significantly higher. From the diagram of 5 the spectral absorbance α (λ) of the Auerstrumpfmaterials (ThO 2 with 1% CeO 2 ), especially in the infrared spectral range extremely low, while outside this range, ie in the visible range (about 450 nm to 800 nm), a high emissivity ε of over 0.85. This material is thus particularly suitable.

Entsprechende Diagramme gemäß den 4 und 5 würden sich auch für erfindungsgemäß ausgewählte metallische Beschichtungsmaterialien wie z. B. Al ergeben.Corresponding diagrams according to 4 and 5 would also for inventively selected metallic coating materials such. B. Al revealed.

Versieht man einen photonischen Kristall mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 5i seiner dielektrischen Säulen 3i, dann werden die in den 6 und 7 wiedergegebenen Diagramme erhalten. Für diese Diagramme wurde eine den 1 und 2 entsprechende Darstellung gewählt. In den 6 und 7 sind jeweils durch eine dick ausgezogene schwarze Linie die Absorption An und Emission En als Funktion der skalierten Frequenz fs für den 2D-photonischen Kristall nach 1 bzw. 2 gezeigt. Wie aus den Diagrammen und insbesondere aus einem Vergleich mit den entsprechenden Diagrammen der 1 und 2 deutlich ersichtlich, ist jetzt innerhalb der Bandlücken PGB die Strahlungsintensität praktisch auf den Wert 0 zurückgegangen. D.h., das charakteristische Produkt aus Fläche·Emissivität („·" = Multiplikationszeichen) wird hier in den gewünschten Bandlücken praktisch null.If one provides a photonic crystal with the coating according to the invention 5i its dielectric pillars 3i then those in the 6 and 7 obtained diagrams. For these diagrams was a the 1 and 2 appropriate representation selected. In the 6 and 7 In each case, the absorption A n and emission E n are a function of the scaled frequency f s for the 2D photonic crystal by a thick solid black line 1 respectively. 2 shown. Like from the diagrams and in particular from a comparison with the corresponding diagrams of the 1 and 2 clearly visible, the radiation intensity has now practically returned to the value 0 within the band gaps PGB. That is, the characteristic product of area · emissivity ("×" = multiplication sign) becomes practically zero here in the desired band gaps.

Die erfindungsgemäße Strahlungsvorrichtung kann deshalb bevorzugt einen Teil einer Einrichtung der Beleuchtungstechnik, der Infrarotdetektion oder der Thermovoltaik bilden. So führt beispielsweise führt die Unterdrückung des nicht-sichtbaren infraroten Anteiles für Beleuchtungsanwendungen zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades. Ein anderes Beispiel wäre die Ausblendung von Infrarotstrahlen mit 10 μm Wellenlänge (= Maximum der thermischen Emission von Lebewesen).The Radiation device according to the invention may therefore prefer a part of a device of lighting technology, infrared detection or thermovoltaic. For example, this leads leads the suppression of the non-visible infrared component for lighting applications an increase the efficiency. Another example would be the suppression of infrared rays with 10 μm wavelength (= Maximum of the thermal emission of living things).

Bei den vorstehend an Hand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wurde die erfindungsgemäße Beschichtung von 2D-photonischen Kristallen angenommen. Selbstverständlich ist auch eine entsprechende Unterdrückung der Emissivität ε in Bandlücken von 3D-photonischen kristallinen Strukturen wie z. B. einer so genannten Woodpile- bzw. Lincoln-Log-Struktur (vgl. WO 03/19680 A1) möglich. Auf 3D-photonische Kristalle mit großer Bandlücke im Infrarotbereich wird auch in „Nature", Vol. 417, 2. Mai 2002, Seiten 52 bis 55 eingegangen.at the embodiments illustrated above with reference to the figures was the coating of the invention assumed by 2D photonic crystals. Of course it is also a corresponding oppression the emissivity ε in band gaps of 3D photonic crystalline structures such. B. a so-called Woodpile or Lincoln log structure (see WO 03/19680 A1) possible. On 3D photonic crystals with large band gap in the infrared range is also in "Nature", Vol. 417, May 2 2002, pages 52-55.

Claims (11)

Thermische Strahlungsvorrichtung mit einer Abstrahlungsfläche eines kristallinen Materials, das von wenigstens einem photonischen Kristall mit periodischer Struktur seines dielektrischen Materials und sich daraus ergebender photonischer Bandlückeneigenschaft gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Außenseite des wenigstens einen photonischen Kristalls (PC) mit einer dünnen Beschichtung (5i) aus einem Beschichtungsmaterial versehen ist, das im Frequenzbereich der wenigstens einen Bandlücke (PBG) eine geringe Emissivität aufweist.A thermal radiation device having a radiating surface of a crystalline material formed by at least one photonic crystal having a periodic structure of its dielectric material and resulting photonic bandgap characteristic , characterized in that at least one outer surface of the at least one photonic crystal (PC) having a thin coating ( 5i ) is provided from a coating material which has a low emissivity in the frequency range of at least one band gap (PBG). Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissivität des Beschichtungsmaterials im Frequenzbereich der wenigstens einen photonischen Bandlücke um mindestens 50 % geringer als die eines unstrukturierten Referenzmaterials ist.Thermal radiation device according to claim 1, characterized in that the emissivity of the coating material in the frequency range of the at least one photonic band gap by at least 50% less than that of an unstructured reference material. Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Emissivität des Beschichtungsmaterials von höchstens 0,1.Thermal radiation device according to claim 2, characterized by an emissivity of the coating material from at most 0.1. Thermische Strahlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photonische Kristallmaterial vom 2D oder 3D-Typ ist.Thermal radiation device according to one of the preceding Claims, characterized in that the photonic crystal material of 2D or 3D type is. Thermische Strahlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein metallisches Beschichtungsmaterial.Thermal radiation device according to one of the preceding Claims, characterized by a metallic coating material. Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (5i) Aluminium (Al) ist.Thermal radiation device according to claim 5, characterized in that the material of the coating ( 5i ) Aluminum (Al) is. Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der Beschichtung (5i) unter 0,1 μm liegt.Thermal radiation device according to claim 5 or 6, characterized in that the thickness (d) of the coating ( 5i ) is less than 0.1 μm. Thermische Strahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (5i) ein oxidisches Material ist.Thermal radiation device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the material of the coating ( 5i ) is an oxidic material. Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung (5i) Thoriumoxid (ThO2) mit Bandlückeneigenschaft im spektralen Infrarotbereich ist.Thermal radiation device according to claim 8, characterized in that the material of the coating ( 5i ) Is thorium oxide (ThO 2 ) with band gap property in the spectral infrared range. Thermische Strahlungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Thoriumoxid-Material in geringem Umfang Ceroxid-Material (CeO2) hinzugefügt ist.Thermal radiation device according to An Claim 9, characterized in that the thorium oxide material to a small extent cerium oxide material (CeO 2 ) is added. Thermische Strahlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet als Teil einer Einrichtung der Beleuchtungstechnik oder der Infrarotdetektion oder der Thermovoltaik.Thermal radiation device according to one of previous claims, characterized as part of a device of lighting technology or infrared detection or thermovoltaic.
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