引用本文
仝杰, 雷煜卿, 李英峰, 李美成, 张明皓, 高中亮. 入射角度和偏振对锥形硅纳米线光谱行为的影响[J]. 光谱学与光谱分析, 2020,40(11): 3394-3398.
TONG Jie, LEI Yu-qing, LI Ying-feng, LI Mei-cheng, ZHANG Ming-hao, GAO Zhong-liang. Influence of Incident Angle and Polarization on Spectral Behaviors of Tapered Silicon Nanowire[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020,40(11): 3394-3398.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)11-3394-05  
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入射角度和偏振对锥形硅纳米线光谱行为的影响
仝杰1, 雷煜卿1, 李英峰2,*, 李美成2, 张明皓1, 高中亮2
1.中国电力科学研究院有限公司, 北京 100192
2.新能源电力系统国家重点实验室, 华北电力大学新能源学院, 北京 102206
*通讯联系人 e-mail: liyingfeng@ncepu.edu.cn

作者简介: 仝 杰, 1983年生, 中国电力科学研究院有限公司高级工程师 e-mail: tongjie1@epri.sgcc.com.cn

收稿日期: 2019-10-28
基金: 国家自然科学基金项目(51402106, 91333122, 11504107, 51372082)资助
摘要

硅纳米线的消光截面在特定波段可以达到其几何截面的数百倍, 这意味着其可以将数百倍于其几何截面范围内的光收集起来。 因此, 硅纳米线被广泛应用于太阳电池、 传感器和光催化等光电子领域。 硅纳米线主要有圆柱形(C-SiNW)和锥形(T-SiNW)两种形貌。 其中, T-SiNW在更宽的波段范围具有大的消光系数, 因而具有更好的广谱光收集能力。 然而, 当光从顶端入射时T-SiNW的吸收系数的数值却很小, 严重限制了其实际应用。 因此亟需研究入射角度对T-SiNW光谱行为的影响。 此外, 光的偏振也将影响T-SiNW的光谱行为。 基于离散偶极近似方法, 详细研究了入射角度和偏振对T-SiNW的消光谱、 吸收光谱和散射性质的影响。 建立了长度1 μm、 上底直径20 nm、 下底直径120 nm的T-SiNW模型; 入射角度在0~180°范围内以30°间隔递增; 偏振包括平行于入射面和垂直于入射面两种情况。 首先, 研究了入射角度和偏振影响T-SiNW的消光、 吸收谱和吸收/消光比的规律; 并借助近场分析探讨了T-SiNW光谱行为的机制。 然后, 分析了入射角度和偏振对T-SiNW散射光角度分布的影响。 结果表明, 倒置T-SiNW的消光谱与正置情况完全相同, 但其吸收谱数值却大的多: 在0.3~0.55 μm波段范围内的平均吸收/消光比超过70%。 水平放置的T-SiNW消光谱数值最大、 吸收谱数值最小, 因此具有最强的光收集能力和最小的光吸收占比; 同时, 还可以将垂直入射光在近似水平的方向上散射出去。 与对垂直偏振光相比, T-SiNW对平行偏振光的吸收系数更大, 但吸收/消光占比更小。

关键词: 锥形硅纳米线; 光谱行为; 入射角度; 偏振
中图分类号:O436.2 文献标志码:A
Influence of Incident Angle and Polarization on Spectral Behaviors of Tapered Silicon Nanowire
TONG Jie1, LEI Yu-qing1, LI Ying-feng2,*, LI Mei-cheng2, ZHANG Ming-hao1, GAO Zhong-liang2
1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China
2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
*Corresponding author
Abstract

The extinction section of a silicon nanowire can reach hundreds of times its geometric cross-sectional area at a given wavelength, meaning it can collect light in the area a scope hundreds of times of its geometrical cross-sectional area. Therefore, silicon nanowire has been widely used in many optoelectronic fields like solar cells, sensors, and photocatalysis devices. Cylindrical silicon nanowire (C-SiNW) and tapered silicon nanowire (T-SiNW) are the two most important silicon nanowire structures. Between them, the extinction efficioncy of T-SiNW has a wider waveband with a large extinction efficiency, so it shows better ability to collect broad-spectrum light. Nevertheless, when under top irradiation, the absorption efficioncy of T-SiNW is quite small, which severely limits its practical applications. It is urgent to find out the law that the incident angle affects the spectral behaviors of T-SiNW. Besides, the polarization of incident light will also influence the spectral behaviors of T-SiNW. In this work, the influence of angle and polarization of incident light on the extinction, absorption spectra and scattering properties of T-SiNW was carefully studied, using the discrete dipole approximation method. T-SiNW was modeled with the length of 1 μm, top-diameter of 20 nm, and bottom-diameter of 120 nm; the angle of incident light increases from 0° to 180° with an interval of 30 °; and two polarization states, parallel and vertical to the incident plane, were considered. First, impacts of the incident angle and polarization on the extinction, absorption spectra, and the ratio of the absorbed light (Abs./Ext.) of T-SiNW were studied. Meanwhile, the mechanisms for the spectral behaviors of T-SiNW were discussed by means of analyzing the near-field distribution mappings. Then, the influence of the angle and polarization on the scattering angle distribution of T-SiNW was analyzed. The results show that the fully inverted T-SiNW has the same extinction spectrum as the upright one, but its absorption spectrum increases significantly: the average Abs./Ext. ratio exceeds 70% in waveband ranging from 0.3 to 0.55 μm. The horizontally placed T-SiNW has the largest extinction spectral value and the smallest absorption spectral value, so it shows the strongest light collection ability whereas the smallest light absorption ratio. Meanwhile, it can scatter the vertical incident light in approximate horizontal directions. In addition, T-SiNW shows larger absorption spectral values for parallel-polarized light than vertical-polarized light, but smaller Abs./Ext. ratio.

Keyword: Tapered silicon nanowire; Spectral behavior; Angle of incident light; Polarization
引言

某些特定波段, 圆柱形硅纳米线(C-SiNW)和锥形硅纳米线(T-SiNW)的消光截面可以达到其几何截面的几百倍[1, 2]。 因此, 它们在传感、 太阳电池、 光催化和发光等领域具有广泛的应用前景[3, 4, 5, 6, 7]。 其中, T-SiNW具有更好的广谱光收集能力[8, 9], 其原因是: 光收集能力源自硅纳米线与特定波长入射光之间的共振; T-SiNW具有连续变化的直径因而具有连续变化的共振波长。 然而, T-SiNW的吸收谱数值却小于C-SiNW[10]。 这意味着T-SiNW不适合被用作光吸收结构, 严重限制了其在径向结太阳能电池等领域中的应用[11]。

T-SiNW吸收谱数值小的原因是: 长波共振发生在T-SiNW底部, 因而其收集的光在顶端入射情况下没有足够的吸收距离[10]。 据此不难推测, 倒置T-SiNW的收集的长波光将拥有很长的吸收距离; 同时, 其光收集能力也应该与正置的完全相同— — 其投影尺寸与正置情况完全相同, 因而共振模式与正置情况完全相同。 即倒置T-SiNW应同时具备良好的光收集和光吸收能力。 此外, 因倾斜T-SiNW在入射光电场方向的投影尺寸与其倾斜角度及入射光的偏振均有关, 其光谱行为将同时受到入射角度和偏振的影响。

本文研究了光的入射角度和偏振影响T-SiNW的消光、 吸收谱和吸收/消光比的规律; 并借助近场分析, 探讨了T-SiNW光谱行为的物理机制。 分析了T-SiNW散射光角度分布受入射角度和偏振的影响。 所有研究均采用离散偶极近似(DDA)方法基于程序包DDSCAT 7.3[12, 13]完成。

1 实验部分

图1是T-SiNW模型、 光入射角度θ 及偏振设置。 T-SiNW长1 μ m、 上底直径20 nm、 下底直径120 nm; θ 在0~180° 范围内以30° 间隔递增; 入射光包括平行于入射面(pol1)和垂直于入射面(pol2)两种偏振。 入射光强设置为1; T-SiNW被划分为边长d=3.3 nm的立方体; 采用了体硅材料的复介电常数[14]。 采用迭代方法求解T-SiNW对入射光的电磁散射。 两次迭代之间的误差容忍度h设置为1.0× 10-5。 以上参数设置均经过了严格的测试计算。

图1 T-SiNW模型、 光的入射角度及偏振的示意图Fig.1 T-SiNW under irradiation with various incident angles and polarization states

获得了T-SiNW的消光效率Qext(λ )谱和吸收效率Qabs(λ )谱。 它们的定义为Qext=Cext/π r2, Qabs=Cabs/π r2; 其中Cext和Cabs分别为消光和吸收截面; r为有效半径, r= 3V/4π3。 消光效率Qext和吸收效率Qabs分别反映了T-SiNW对光的收集和吸收能力。 获得了T-SiNW的近场光分布, 光强数值为电场强度的模方。

2 结果与讨论
2.1 入射角度和偏振对T-SiNW消光谱和吸收光谱的影响

入射角度对T-SiNW消光谱的影响。 图2(a)给出了T-SiNW对pol1和pol2偏振光的消光谱平均值。 当入射角互补时(0° 和180° , 30° 和150° , 60° 和120° ), T-SiNW的消光谱完全重合。 这验证了前面的预测: 倒置和正置T-SiNW的光收集能力相同。 随θ 从0° 增大到90° , T-SiNW的消光效率在整个可见光谱范围内显著增加(短波段增大约3倍, 长波段超过10倍)。 表明越接近水平放置(θ 接近90° ), T-SiNW的广谱光收集能力越强且越平均。

图2 入射光的角度和偏振对T-SiNW光谱行为的影响
(a): T-SiNW对pol1和pol2偏振光的平均消光谱; (b): T-SiNW对不同偏振光的消光谱; (c): T-SiNW对pol1和pol2偏振光的平均吸收谱及其差值(插图); (d): T-SiNW对pol1和pol2偏振光的平均吸收/消光比及其差值(插图)Fig.2 Impacts of angle and polarization of incident light on the spectral behaviors of T-SiNW
(a): Averaged extinction spectra for pol1 and pol2 light; (b): Extinction spectra for incident light with distinguished polarizations; (c): Averaged absorption spectra for pol1 and pol2 light, and their difference (inset); (d): Averaged Abs./Ext. ratio for pol1 and pol2 light, and their difference (inset)

除θ =0° 和180° 两种情况, 偏振对T-SiNW的消光谱影响显著。 如图2(b), 对于pol1偏振光, 随着θ 从0° 增加到90° , T-SiNW的共振数目和波长变化, 消光效率也显著增加; 而对于pol2偏振光, T-SiNW的消光谱在不同入射角度下几乎重叠。 这意味着入射光与T-SiNW之间的共振本质上取决于其电场“ 感受” 到的T-SiNW的几何尺寸: pol1偏振光的电场方向与T-SiNW对称轴在同一平面内, 因此其感受到的T-SiNW的尺寸随θ 而变化; pol2偏振光的电场方向与T-SiNW对称轴垂直, 因此其感受到的T-SiNW的尺寸与θ 无关。

T-SiNW的消光特性可以由近场分布直观给出。 例如, T-SiNW对λ =0.44 μ m的pol2光的消光效率随θ 增加(0° ~90° )而变大的原因是产生了更多的共振: 如图3(a)所示, θ =0° 时入射光仅与T-SiNW中1个位置产生共振; θ =60° 和90° 时, 则分别与2个和5个位置产生了共振。 共振数的增加来自于入射光电场“ 感受” 到了更多的“ 相同” 尺寸: 耀斑在移向T-SiNW底面的同时慢慢向受光面移近。 T-SiNW对pol1光的消光效率随θ 显著提升的原因是入射光电场在T-SiNW中感受到更大的尺寸进而产生了更多的共振波长: 如图3(b)所示, θ =60° 时λ =0.45, 0.54和0.60 μ m的光分别与不同位置处的倾斜尺寸产生了共振; θ =90° 时λ =0.80 μ m的光与平行于对称轴的尺寸(侧面与底面间)产生了共振, 这由横截面图中黄色虚线所指示的闭合的电场线可以证实。

图3 T-SiNW的近场分布
(a): pol2偏振时λ =0.44 μ m的各种角度的入射光与T-SiNW的共振; (b): pol1偏振时λ =0.45, 0.54和0.60 μ m的θ =60° 的入射光与T-SiNW的共振, λ =0.8 μ m的θ =90° 的入射光与T-SiNW的共振Fig.3 Near-field mappings for T-SiNW
(a): Resonance at λ =0.44 μ m under pol2 light with various θ ; (b): Resonances at λ =0.45, 0.54, and 0.60 μ m, under pol1 light with θ =60° ; and at λ =0.8 μ m under pol1 light with θ =90°

入射角度对T-SiNW吸收谱的影响。 图2(c)中给出了T-SiNW对pol1和pol2偏振光的吸收效率的平均值。 θ =150° 和180° 时T-SiNW的吸收效率比θ =0° 时要大的多, 证实倒置T-SiNW具有更好的光吸收。 吸收效率随θ 增加先降低然后再升高。 这是因为当θ 从0° 增加到90° 时, 光在T-SiNW中的传输距离逐渐缩短; 而当θ 从90° 增加到180° 时, 传输距离又逐渐变大。 当θ 接近180° 时, T-SiNW底部收集的长波光还可以被锥形壁面反射获得更长的吸收路径。

图2(d)给出了T-SiNW对pol1和pol2偏振光的平均吸收/消光比(Abs./Ext.)。 与吸收谱的情况相同, Abs./Ext.随着θ 增加先减小后增大。 θ =180° 时, T-SiNW在0.3~0.55 μ m波段的Abs./Ext.均大于60%; 平均值大于70%; 峰值达88%。 该波段包含了太阳光谱中最强的光子流密度; 因此, 倒置SiNW具有优秀的太阳光吸收能力。 此外, 结合图2(a)和(d)的结果可以得出结论: 水平T-SiNW同时具有最大的消光系数和最小的Abs./Ext., 非常适合用来捕获太阳光。

图2(c)的插图显示T-SiNW对pol1偏振光的吸收明显强于对pol2偏振光的吸收。 主要原因是T-SiNW对pol1偏振光的消光系数比对pol2偏振光大的多。 图2(d)的插图表明T-SiNW对pol1偏振光的Abs./Ext.显著小于对pol2偏振光的Abs./Ext.。 原因是尽管T-SiNW对pol1偏振光的消光系数大, 但共振位置的形状不对称致使收集的大部分光被很快的散射出去。

2.2 入射角度和偏振对T-SiNW散射光角度分布的影响

图4(a)和(b)显示, 正置T-SiNW的散射光主要分布在0° 到90° 之间, 即正向散射为主; 而倒置T-SiNW的背向散射超过了50%。 这与Zhu等发现的T-SiNW阵列的光吸收比例随θ 从0° 增大到90° 而由~100%降至~25%的测量结果吻合[15]。 倒置T-SiNW中的背向散射来自于光在向前传播的过程中不断被锥形壁面向后反射。 对于水平放置的T-SiNW, 图4(c)和(d)显示: 入射光为pol1偏振时, 散射光主要分布在70° ~140° ; 入射光为pol2偏振时, 散射光主要分布在60° ~130° 。 再考虑到水平T-SiNW具有最强的广谱光收集和最小的Abs./Ext., 非常适用于对可见光的高效、 低损耗捕获。 T-SiNW被倾斜放置时, 图4(e)和(f)显示: θ =60° 时, 散射光主要分布在40° ~100° ; θ =120° 时, 散射光主要分布在110° ~160° 。 结合前面结果可以得出结论: T-SiNW越接近正置, 其前向散射就越强; 而越接近倒置, 其背向散射就越强。

图4 T-SiNW的散射光角分布
(a): 完全正置的散射角度分布; (b): 完全倒置T-SiNW的散射角度分布; (c): 水平T-SiNW对pol1光的散射角度分布; (d): 水平T-SiNW对pol2光的散射角度分布; (e): θ = 60° 时T-SiNW的散射光角度分布; (f): θ = 120° 时T-SiNW的散射光角度分布Fig.4 Angular distribution of scattered light by T-SiNW
Scattered light by (a) a fully upright and (b) a fully inverted T-SiNW; a flat-laid T-SiNW under irradiation of (c) pol1 and (d) pol2; T-SiNW under irradiation with (e) θ =60° and (f) θ = 120°

3 结论

倒置T-SiNW的消光谱与正置情况完全相同, 但其吸收谱数值却大的多: 其吸收/消光比在0.3~0.55 μ m波段的平均值可超过70%。 证实完全倒置的T-SiNW同时具有优异的光收集和光吸收能力。 水平放置的T-SiNW在整个可见光谱范围内消光谱数值最大、 吸收谱数值最小, 具有最佳的广谱光收集能力和最小的光吸收占比; 并且可以将垂直入射的光转变为水平传播。 T-SiNW对pol1偏振光的吸收量比对pol2偏振光的数值大, 但对pol1偏振光的吸收/消光占比更小。

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