發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 16:30

【摘要】：納米天線是一種尺寸在納米量級(jí)的天線,不同于傳統(tǒng)微波和射頻天線,其工作波段為光波段,工作原理是基于表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)。通過改變納米天線的尺寸、結(jié)構(gòu)、材料等因素可以調(diào)控SPPs,使得納米天線可以在多種領(lǐng)域內(nèi)工作。近年來,由于化石燃料使用量增加導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重,清潔可再生能源的利用顯得尤為重要。其中,太陽能作為可持續(xù)使用的綠色能源,其具有能量密度大、分布范圍廣、易于收集等特點(diǎn),是重要的清潔可再生能源之一。針對傳統(tǒng)太陽能電池存在轉(zhuǎn)換效率低及受工作環(huán)境影響較大等問題,研究人員開始設(shè)計(jì)各種基于SPPs的納米天線用于能量收集。與傳統(tǒng)太陽能電池相比,納米天線具有吸收波段寬、吸收率高、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。本文分別使用傳統(tǒng)納米天線設(shè)計(jì)方法及遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)輔助設(shè)計(jì)納米天線的新方法分別設(shè)計(jì)了多諧振U形縫隙納米天線和雙領(lǐng)結(jié)雙環(huán)縫隙納米天線用于能量收集。首先,基于SPPs模式設(shè)計(jì)了多諧振U形縫隙納米天線,并使用時(shí)域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)研究其陣列的吸收特性及物理參數(shù)變化對吸收特性的影響。其結(jié)構(gòu)是在矩形納米天線上刻蝕4個(gè)U形縫隙,改變銀納米顆粒的自由電子分布及表面電流走勢。因此,可以通過改變4個(gè)U形縫隙的尺寸來調(diào)控SPPs,得到高吸收率的納米天線。結(jié)果表明,此納米天線陣列在400-1400nm波段具有良好的吸收特性,其平均吸收率超過50%。此外,由于納米天線的可調(diào)控參數(shù)多,則不同的結(jié)構(gòu)尺寸組合可以讓此納米天線表現(xiàn)出不同的特征,使其能夠滿足各種環(huán)境需求。其次,基于GA優(yōu)化設(shè)計(jì)雙領(lǐng)結(jié)雙環(huán)縫隙納米天線。傳統(tǒng)的納米天線設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)公式,對于納米天線的可調(diào)控參數(shù)過多的情況,其設(shè)計(jì)過程顯得比較繁瑣,多參數(shù)同步調(diào)控難以實(shí)現(xiàn)。而GA具有自適應(yīng)性強(qiáng)、通用性強(qiáng)、并行計(jì)算、種群搜索、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),可以輕松實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同步調(diào)控,并且高精度的計(jì)算出高性能的納米天線結(jié)構(gòu)。因此,本文采用GA輔助設(shè)計(jì)納米天線的新方法設(shè)計(jì)了雙領(lǐng)結(jié)雙環(huán)縫隙納米天線。GA是一種模仿自然界“優(yōu)勝劣汰,適者生存”的自適應(yīng)隨機(jī)搜索算法,利用適應(yīng)度函數(shù)控制種群進(jìn)化方向,使用選擇運(yùn)算對種群進(jìn)行篩選,保留優(yōu)良個(gè)體,通過交叉和變異運(yùn)算產(chǎn)生新種群。通過多次迭代進(jìn)化讓種群適應(yīng)環(huán)境能力越來越強(qiáng),即納米天線的性能越來越好,得出滿足要求的納米天線。結(jié)果表明,通過GA優(yōu)化后得到的雙領(lǐng)結(jié)雙環(huán)縫隙納米天線具有較好的吸收特性,其陣列在400nm-1800nm波段內(nèi)平均吸收率超過77%。在400nm-1200nm、1460nm-1650nm波段內(nèi)吸收率均超過60%。其受入射光偏振角度的影響較小,且在±60°大入射角度的平均吸收率仍可以超過75%。本文設(shè)計(jì)的兩種納米天線都具有寬吸收波段和高吸收率的特點(diǎn),都可以吸收可見光及紅外波段的能量,利用此納米天線制作太陽能吸收器可以解決傳統(tǒng)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低及在夜間和陰雨天無法工作等問題。同時(shí),優(yōu)化算法輔助設(shè)計(jì)納米天線的新方法降低了納米天線設(shè)計(jì)的隨機(jī)性及盲目性,提高了設(shè)計(jì)出高性能納米天線的精確度。
【學(xué)位授予單位】：華東交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN820

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2709803