电磁波在zno纳米阵列表面的反射

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1、电磁波在塔尖型ZnO纳米阵列表面的反射物理与电子工程学院物理（师范）专业2007级唐发兵指导老师万步勇摘要：根据ZnO纳米阵列与蛾眼的微观结构的高度相似，借鉴目前人们对光在蛾眼表面的反射的研究方法，利用菲涅耳系数矩阵法，采用MATLAB计算出当电磁波垂直照射在ZnO纳米阵列表面时的反射率。最后对理论结果和实验数据进行对比分析。关键词：ZnO纳米阵列；蛾眼；菲涅耳系数矩阵法；反射率Abstract:AccordingtohighlysimilarofmicrostructureofZnOnanoarrayandmotheyes,takingexamplesfromtheresearc

2、hmethodsthatsomepeoplehavedoneoflightreflectionofthemotheyessurface,usingtheFresnelcoefficientmatrixmethodandMATLABsoftware,thereflectivityofZnOnanoarraysurfacewhenelectromagneticwaveverticalilluminateinitcanbecalculated.Finallythetheoreticalresultsandexperimentaldataarecomparedandanalyzed.Key

3、words:ZnOnanoarray;Themotheyes;Fresnelcoefficientmatrixmethod;reflectivity1引言氧化锌（ZnO），俗称锌白，是锌的一种氧化物。难溶于水，可溶于酸和强碱。ZnO是一种直接宽带隙（）半导体材料。它具有较高的激子束缚能（）(远大于室温的热涨落能)和极好的热稳定性[1]。常温常压条件下，ZnO呈纤锌矿结构（六方晶系）[2]。在这样一个结构中，和离子沿着六方晶体的c轴方向交替排列，每个离子周围围绕着四个离子，构成Zn-O四面体结构，反之亦然。ZnO的这种结构特点决定了ZnO晶体中（0001）和（0001-）极性面的存在

4、。由此，沿c轴方向自发的极化生长的发生是ZnO纳米线形成的主要原因[3]。近年来有关太阳能电池的研究如火如荼，太阳能电池的光照第16页（共16页）面一般都会有抗反射层来减少阳光的反射，以提升太阳能电池的转换效率，而氧化锌纳米层便是其中的一种高效抗反射层[4]。ZnO纳米层既然具有高效抗反射性，那么光照射在ZnO纳米层上的反射率理论上到底是怎样一种分布呢？这便是本文要研究的内容，而光也是一种电磁波，所以本文便把电磁波在ZnO纳米阵列表面的反射确定为核心研究内容。本文采用有效介质模型（蛾眼），根据国外对其的研究方法来研究该核心内容。2蛾眼与ZnO纳米阵列宏观特性与微观结构的比较2.1蛾

5、眼与ZnO纳米阵列的宏观特性根据日本横滨市立大学应用物理学材料研究中心的研究知，在光学理论中蛾眼被分类为一种可以用作高效的将光聚集在感光器上的物质[5]，因为蛾眼对光的反射很小，即其具有高抗反射性[6]。在本文引言中已经提到ZnO纳米层已经被作为太阳能电池中的高抗反射层，其对光的高抗反射特性是毋庸置疑的，因此蛾眼与ZnO纳米阵列在宏观上对光都具有高抗反射性便是它们的共同点。2.2蛾眼与ZnO纳米阵列的微观结构比较2.2.1蛾眼的微观结构和计算其反射率的方法在电子显微镜中蛾眼角膜阵列如图2-1所示。图2-1二种蝶科昆虫在电子显微镜中的角膜阵列（500nm）[5]第16页（共16页）为

6、了对蛾眼对光的反射进行研究，首先为蛾眼建立一个坐标系，使z轴垂直于角膜表面，让角膜底端在z=0处，峰在z=h处。z轴上的值为相对峰高=，单个阵列距离r相对于两相邻阵列距离d的值为。由于蛾眼在显微镜中横截面与锥形、抛物面、高斯面相近，因此我们可以将其简化为锥形、抛物面、高斯面分别进行研究[5]，在这里只介绍锥形（即塔尖型）的处理情况（如图2-2）。相对阵列的峰高1.00.50-0.300.30.6相对距离图2-2蛾眼在电子显微镜中的横截面锥形模型[5]为了便于计算，令（对于任意总有），参数p决定阵列的宽度，阵列格占据面积为。在处包含一个分数（即对于含有空气和角膜的阵列中角膜阵列所占的

7、分数），那么剩余的空气部分便是，其中阵列的折射率为，空气的折射率为1。虽然阵列间的距离相对于光波波长很小，但光的传播仍然较大的受到阵列第16页（共16页）阵列有效折射率的影响，而这个有效折射率是可以通过有效介质理论计算出来的（1935博格曼）。在处，有效折射率为（），，，在这里=1.52（1974沃格特），很近似于（q=），这个方程的值只是轻微的偏离简单的加权值。对于一个高度为h的角膜阵列，假如将其平分为100层，每层的厚度是则介质的折射率便由第1层到第100层呈梯度