Met behulp van geavanceerde berekeningen hebben natuurkundigen en wiskundigen van de Universiteit Twente ontdekt dat een dunne, diamantachtige fotonische nanostructuur een opvallend breed spectrum aan kleuren licht bij elke invalshoek weerkaatst. Daardoor heeft dit materiaal veel potentieel als achterreflector om de efficiëntie van zonnecellen of kleine lichtbronnen op chips mee te vergroten.
De resultaten zijn gepubliceerd in het toonaangevende natuurkundige tijdschrift Physical Review B.
De efficiëntie van zonnecellen is afhankelijk van hun vermogen om licht te vangen en te absorberen. Dit kan worden vergroot door middel van een achterreflector: een spiegel achter het zonnecelmateriaal dat niet-geabsorbeerd licht reflecteert en weer terugvoert de zonnecel in. Een ideale spiegel reflecteert licht van elke frequentie (d.w.z. elke kleur) ongeacht de invalshoek (omnidirectionele reflectie). Omnidirectionele reflectie in diëlektrische structuren hangt samen met driedimensionale nanostructuren van fotonische kristallen met een zogenaamde volledige fotonische bandkloof. Onderzoekers hebben echter altijd gedacht dat dergelijke structuren een beperkt operationeel frequentiebereik zouden hebben. Daarnaast was het omnidirectionele gedrag ervan nog nooit aangetoond.
Een interdisciplinair team van natuurkundigen en wiskundigen van de Universiteit Twente heeft nu geavanceerde berekeningen uitgevoerd met betrekking tot een zeer veelbelovend materiaal dat is ontwikkeld door de groep Complex Photonic Systems. “We hebben fotonische kristallen van het ‘inverse woodpile’-type onderzocht”, vertelt promovendus Devashish. “Zulke kristallen bestaan uit regelmatig geordende rijen poriën die in twee haaks op elkaar staande richtingen zijn aangebracht in een wafer van diëlektrisch materiaal, bijvoorbeeld silicium. De kristalstructuur is geïnspireerd op diamanten.”
De onderzoekers hebben de reflectiviteit van de kubusvormige, op een diamant lijkende ‘inverse woodpile’ kristallen onderzocht door middel van numerieke berekeningen en interpretaties van recente experimenten. Ze gebruikten de eindige-elementenmethode om deze kristallen te bestuderen terwijl ze omringd waren door lege ruimte. “We kwamen tot de ontdekking dat zelfs heel dunne inverse woodpile-kristallen een breed spectrum aan kleuren licht omnidirectioneel sterk reflecteren”, aldus Devashish. “De lichtabsorptie door inverse woodpile-kristallen is verwaarloosbaar. Daardoor zijn ze bijzonder geschikt om als achterreflector te worden gebruikt in zonnecellen. Daarnaast verwachten we dat deze diamantachtige fotonische kristallen gebruikt zullen kunnen worden voor lasers op chips, onzichtbaarheidsmantels en apparatuur om licht in extreem kleine hoeveelheden in te sluiten.”
Figuur 1: Een dun, driedimensionaal fotonisch kristal met een diamantachtige nanostructuur wordt vanuit een willekeurige invalshoek beschenen met wit licht (zwarte pijl). Veel kleuren worden omnidirectioneel sterk gereflecteerd, ongeacht de invalshoek (zwarte pijl). In dit voorbeeld zijn dat de kleuren van oranje tot blauw.
Figuur 2: De reflectiviteitsspectra die voor alle richtingen van het invallende licht zijn berekend. Licht dat de kristallen niet binnen kan komen wordt gereflecteerd. Dat wijst erop dat deze kleuren in de kristallen in het geheel niet kunnen voorkomen, wat kenmerkend is voor een fotonische bandkloof. De onderzoekers hebben waargenomen dat licht in een breed spectrum aan kleuren altijd wordt gereflecteerd, ongeacht de invalshoek en in beide richtingen, ook bij een dun plaatje kristal. De donkerblauwe kleur staat voor de hoge reflectiviteit die in de stopband geldt voor licht met elke invalshoek. De witte kleur staat voor bijna 0% reflectiviteit. De oranje stippellijnen geven het brede frequentiebereik aan waarbinnen licht bij elke invalshoek wordt gereflecteerd.
Het team
Het onderzoek is uitgevoerd door Devashish M.Sc., dr. Shakeeb Hasan, prof. dr. Jaap van der Vegt en prof. dr. Willem Vos van de groep Complex Photonic Systems (COPS) van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente (Nederland) en de groep Mathematics of Computational Science (MACS) van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente (Nederland). Het onderzoeksproject wordt gesteund door het programma ‘Computational Sciences for Energy Research’ (CSER) van Shell-NWO/FOM.
De paper
De paper is getiteld ‘Reflectivity calculated for a three-dimensional silicon photonic band gap crystal with finite support’ en is op 26 april 2017 gepubliceerd in Physical Review B (Phys. Rev. B 95, 155141 (2017)).
URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.95.155141
DOI: 10.1103/PhysRevB.95.155141
Een preprint van de paper is beschikbaar op http://cops.nano-cops.com/publications/reflectivity-calculated-3d-silicon-photonic-band-gap-crystal-finite-support en op de preprint-server van de Cornell-universiteit op http://arxiv.org/abs/1609.01112.
