文 献 综 述

1.1 引言

随着工业技术的迅速发展，在能源动力、航空航天、微电子技术等工程领域中，先进设备与器件的热负荷与能源利用效率的要求在不断提高，传统热控制和能量利用的制作与设计已经无法满足现代工业飞速发展的要求。目前，以制造表面功能结构的产业受到广泛的重视，成为近30 年发展起来新兴多学科交叉的研究领域。通过制造出不同的形貌、不同尺度、不同维数和不同功能的表面结构，而达到附着脱附、强化传热、光电转换、减阻、视频隐身、结构色调整、仿生耦合等种类丰富功能^[1,2]。相对制造技术而言，表面结构设计的研究涉及学科多且对其他领域具有巨大影响和渗透作用，对于热科学领域，表面结构对光谱辐射与传热的调控扮演着不可缺少的角色，需要大力发展表面结构的辐射调控与热设计的研究，对进一步提高先进设备的热负荷性能，同时促进新能源产业的发展有着至关重要的影响。

在过去20年中，纳米科学与纳米制造工程有了显著的发展，而纳米材料是纳米科学和纳米技术的最重要的成果^[3]。不仅如此，纳米结构材料的特性例如禁带宽度和光学转换也可以通过连续控制他们的尺寸或形状（量子尺度影响）来改变^[4]。因此，人们可以对材料微观结构的特征进行有目的改变，从而调整材料在可见和红外波段内的辐射性质，以达到改进材料发射、反射等性质的目的，也就是表面结构的辐射调控技术。利用微纳米结构来实现热辐射光谱调控被视为一种新型热辐射光谱能量调控方法，该方法被认为是最有效的热辐射能量传递与控制方法之一。

1.2微纳米尺度光栅结构光学特性的研究进展与现状

#160;纳米材料的种类丰富，目前，低维纳米材料（纳米颗粒、纳米线等）受到了特别的关注，因为他们会展示出各向异性和/或可调维度特性，在介关物理和纳米器件方面的研究显得意义重大^[3]。对于一维纳米材料结构的相关研究，主要为半导体纳米线、管及其同质或异质结等结构，尤其是以硅纳米线为代表的硅纳米材料，在纳米技术中非常重要，因为其与微电子工业应用具有良好的兼容性，被认为对开发纳米集成电路、集成光电子和太阳能电池等意义重大。在新能源产业中，光伏电池广泛用于军事、航空航天、工业、商业、农业、家用电器各个领域，已有研究表明，通过对硅的表面结构进行光谱辐射调控，可以克服单晶硅太阳能电池成本较高、而非晶硅太阳电池转换效率偏低以及光致衰退效应，并且解决单晶硅电池高纯度的限制。并且改进硅的表面结构还具有原材料丰富，无毒，性能稳定，对环境无危害等优点，使得大面积应用太阳能电池成为可能，非常具有研究价值。

（一）国外研究进展

在太阳能电池中单晶硅被做成类似二极管中的p-n结，当太阳光子入射到单晶硅表面时，其推动p-n结空穴和电子运动，进而产生电能。而通过对硅纳米材料表面结构的改变，以硅纳米线（SiNWs）为代表，形成有效的光陷效应和径向载流子分离^[5]的特性，实现了光伏电池的辐射特性调控，进而设计出高效低成本的太阳能电池。对于单根的SiNW的光学特性，Stroud#160;等人^[6]利用Lorentz-Mie散射理论计算了不同直径的柱状单根SiNW的光吸收，与实验室得到的光吸收结果符合很好。发现SiNW的光电流比相同体积的硅薄膜具有约三倍的增强。随后，Davis等^[7]又通过改变SiNWs的尺寸、介质环境、光照调节等在SiNWs中实现了共振光散射的可调节性，从而试验了硅纳米结构中宽范围的颜色调节。在SiNWs阵列的光学性质方面，也有很多研究。Yu K, Chu Y等^[8]对于表面无序生长的SiNWs的光散热进行实验研究，并利用经典的光扩散理论分析了反射散射，发现SiNWs通过多重散射可以有效地将入射光耦合进纳米线中并减少反射。Hu 和Slepyan#160;^[9]#160;采用传输矩阵法数值模拟了单层周期排列SiNWs的光学吸收、反射和透射特性，发现相对于相同厚度硅薄膜，在高频区SiNWs具有更高的吸收率。Hashin 和#160;Shtrikman#160;^[10]#160;对硅纳米材料的表面设计了一个非对称二维光栅结构，其吸收率在垂直入射时接近于兰贝特极限。Mezedur等^#160;[11]#160;报道了当晶格常数从100 nm 变化到 600 nm 时，其光学吸收率会重大的强化，其中SiNWs的填充因子不变。Uvarov#160;^[12]#160;阐述了当硅纳米材料表面为锥阵列时，比相同直径的SiNWs的吸收率和效率都有强化。Belova等人#160;^[13]#160;发现在不规则SiNWs的光学吸收率将被重大的强化，当直径或者长度随机排列，而当SiNWs位置随机排列会略微强化吸收率。最近，Sihvola ^[14]#160;对SiNWs和硅纳米锥结构在太阳能光伏应用上进行了调研。上述文献仅对单层的垂直生长的硅纳米结构的光学特性进行数值分析，缺乏对带有硅基底的SiNWs的复合结构的光学特性的研究，而这一复合结构广泛存在于实际的制备中^[15]。Garnett#160;等人^[16] 数值模拟了基于硅薄膜基底的SiNWs复合结构的光学特性，采用有限元方法，通过改变硅纳米柱的厚度和晶格常数，来对这一复合结构进行最大转换效率的优化。发现当晶格常数在500nm时，存在最大的转换效率，约为27%。而且Garnett等人^[17]#160;采用FDTD数值计算了带有半无限大硅基底的SiNWs的复合结构的光学特性，通过计算整个太阳能光谱下的平均反射率损失来对硅纳米柱的周期结构进行优化，发现优化后的随机分布结构的反射率低于优化周期结构和随机结构。

（二）国内研究进展

国内关于硅纳米结构表面的光学特性的研究也非常重视，但从公开的国内文献中对硅纳米线的光学特性的计算比较少，绝大部分为硅纳米结构材料的制备^[18-20]与辐射特性测量^[21.22]的实验。Smith等人^[23]采用了TMM法对SiNWs和硅纳米孔两种纳米表面结构的光学特性进行数值模拟，发现相同厚度与填充因子的硅材料，纳米孔这一表面结构比纳米线能够获得更大的吸收率，并且当填充因子大于0.25时，这一纳米孔结构的硅材料比相同厚度的硅薄膜的吸收率大。上海大学的Xi等人^[24-26]通过对SiNWs的直径内的光学吸收进行数值模拟和实验测量，采用了格林公式和FDTD两种方法，详细阐述了SiNWs直径增加将使得光电流密度向低频区移动，从而从紫外区向可见光区的吸收强度增加。在带有硅基底方面，南京理工大学的Huang等人^[27]设计了一种基于半无限大硅基底的光栅状硅纳米结构，采用FDTD进行数值模拟，发现这一复合结构可以使整个光谱范围内的吸收率维持在0.85以上，其最大转换效率为27.97%。

1.3#160;课题研究的内容和目的