Численное моделирование и компьютерный дизайн оптических свойств наноструктурированных материалов

• Автор: Дейнега, Алексей Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Развитие метода решения уравнений Максвелла в конечных разностях

1.1 Обзор литературы

1.2 Метод аодсеточного сглаживания

1.3 Итерационный метод для моделирования наклонного падения плоской волны на периодическую структуру
1.4 Выводы

2 Применение шаблонного метапрограммирования для эффективной реализация ИПТВ

2.1 Контурный подход к дискретизации уравнений Максвелла

2.2 Код как совокупность взаимодействующих компонент

2.3 Стадии расчета
2.4 Оптимизация использования памяти
2.5 Проведение параллельных расчетов
3 Металлические фотонные кристаллы как источники светового излучения
3.1 Обзор литературы
2.6 Выводы
3.2 Оптимизация излучательных характеристик металлических фотонных кристаллов в видимом диапазоне
3.3 Учет внешней матрицы, необходимой для фиксации фотонного кристалла
3.4 Выводы

4 Антиотражающие текстурированные покрытия
4.1 Обзор литературы
4.2 Численное моделирование текстурированных покрытий во
всем диапазоне размеров текстуры
4.3 Кремниевые текстурированные покрытия
4.4 Выводы
5 Заключение
5.1 Основные результаты и выводы работы
5.2 Благодарности
Литература

Введение
Диссертация посвящена численному моделированию оптических свойств наноструктурированных материалов, а именно, в ней исследуются следующие вопросы:
• Возможность применения металлических фотонных кристаллов в качестве новых высокоэффективных источников света.
• Оптимизация размеров и формы антиотражающих нанотекстуриро-ванных покрытий.
Основным используемым численным методом является метод решения уравнений Максвелла в конечных разностях (ПшЪе-В1йегепсе Тше-1Эотат, РОТБ). Для расчетов применяется специально написанная параллельная программа, включающая в себя ряд новых оригинальных численных методов, которые также описываются в данной диссертации.
Актуальность работы. Наноструктурированные материалы представляют собой новый тип материалов, характеризующийся малым размером (характерный размер порядка нескольких сотен нанометров и менее) и сложной организацией составляющих его элементов. Наноматериалы обладают уникальными физическими свойствами, что позволяет им находить применение во многих промышленных областях: в вычислительной технике, энергетике, медицине и т. д. (1]
К наноматериалам относятся фотонные кристаллы [2], представляющие собой структуры с периодически меняющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью. Оптические свойства фотонных кристаллов сильно отличаются от оптических свойств сплошных сред: электромагнитные волны в фотонном кристалле имеют зонный спектр и координатную зависимость, аналогичную блоховским волнам электронов в обычном

I ч : : i
j ;
Рис. 1.11. Геометрия численного эксперимента. 1, 2 - генерирующие (TF/SF) границы, для которых в качестве источника берется сигнал, переносимый с точек образов 1', 2'; 3 -TF/SF граница для генерации падающей плоской волны; 4 - детекторы для записи прошедшего сигнала.
сдвигом St — |5£ь| = asin#/c). Мы используем метод общего и рассеянного поля (Total Field / Scattered Field Method, TF/SF) для генерации плоской волны в область общего поля (эта область заштрихована на Рис. 1.11). Как полное, так и рассеянное поле в искомом решении удовлетворяет условию (1.30). Зависящие от времени граничные условия TF/SF на границе 3 соответствуют падающей наклонно плоской волне и известны аналитически. Основная идея нового метода заключается в применении дополнительных граничных условий на границах 1 и 2, которые работают подобно границе TF/SF, где в качестве генерируемой волны используются значения полей в точках-образах на границах 1' и 2' (ху = х + а и х2> = х2 — а) с соответствующим временным сдвигом. Для отрицательного временного сдвига в прошлое могут быть использованы значения полей с текущей г-ой итерации, а для положительного сдвига в будущее мы используем значения полей, записанные на предыдущей г — 1-ойитерации:
Щх2, t) = Fi(x2',t - St), (1-34)
Fi(xi,t) = Fi-x(xi>,t + St). (1.35)