04/05/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van Universiteit Twente hebben ontdekt dat een dunne nanostructuur bij elke invalshoek een breed spectrum kleuren licht weerkaatst.
Natuurkundigen en wiskundigen van Universiteit Twente hebben met behulp van geavanceerde berekeningen 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.
Ideale spiegel
Het rendement van zonnecellen is afhankelijk van hun vermogen om licht te vangen en te absorberen. Dit kan worden vergroot door middel van een achterreflector. Deze spiegel achter het zonnecelmateriaal reflecteert niet-geabsorbeerd licht en voert het terug de zonnecel in.
Een ideale spiegel reflecteert licht van elke frequentie (elke kleur) ongeacht de invalshoek. Deze omnidirectionele reflectie in diëlektrische structuren hangt samen met driedimensionale nanostructuren van fotonische kristallen met een zogenaamde volledige fotonische bandkloof.
Onderzoekers hebben altijd gedacht dat dergelijke structuren een beperkt operationeel frequentiebereik zouden hebben. Daarnaast was het omnidirectionele gedrag ervan nog nooit aangetoond.
Inverse woodpile
Een interdisciplinair team aan Universiteit Twente heeft nu geavanceerde berekeningen uitgevoerd aan een veelbelovend materiaal dat is ontwikkeld door de groep Complex Photonic Systems. Ze hebben fotonische kristallen van het ‘inverse woodpile’-type. 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 met behulp van numerieke berekeningen en interpretaties van recente experimenten. Ze gebruikten de eindige elementen methode om deze kristallen te bestuderen terwijl ze omringd waren door lege ruimte.
Ze ontdekten daarbij dat zelfs heel dunne inverse woodpile-kristallen een breed spectrum aan kleuren licht omnidirectioneel sterk reflecteren. De lichtabsorptie door de kristallen is verwaarloosbaar. Daardoor zijn ze bijzonder geschikt om als achterreflector te worden gebruikt in zonnecellen. De onderzoekers verwachten dat de kristallen ook kunnen worden gebruikt voor lasers op chips, onzichtbaarheidsmantels en apparatuur om licht in extreem kleine hoeveelheden in te sluiten.
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.
Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van de groepen Complex Photonic Systems (COPS) en Mathematics of Computational Science (MACS) van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de universiteit. Het onderzoeksproject wordt gesteund door het programma ‘Computational Sciences for Energy Research’ (CSER) van Shell-NWO/FOM.