Figure 1 :Un mince cristal photonique 3D avec une nanostructure semblable à un diamant est illuminé par une lumière blanche provenant de n'importe quelle direction incidente (flèche noire). De nombreuses couleurs sont fortement réfléchies de manière omnidirectionnelle quel que soit l'angle d'incidence (flèche noire). Dans cet exemple, ce sont les couleurs de l'orange au bleu. Crédit :Université de Twente
Grâce à des calculs avancés, des physiciens et des mathématiciens de l'Université de Twente ont découvert qu'un la nanostructure photonique de type diamant reflète une gamme étonnamment large de couleurs de lumière, sous tous les angles. Cela fait que le matériau a un grand potentiel en tant que réflecteur arrière pour améliorer l'efficacité des cellules solaires ou de minuscules sources lumineuses sur puce.
Les résultats ont été publiés le 26 avril dans la principale revue de physique Examen physique B .
L'efficacité des cellules solaires dépend du piégeage et de l'absorption de la lumière et peut être augmentée en utilisant un réflecteur arrière :un miroir derrière le matériau de la cellule solaire qui réfléchit la lumière qui n'a pas été absorbée et la ramène dans la cellule solaire. Le miroir idéal réfléchit la lumière incidente sous n'importe quel angle, connue sous le nom de réflectance omnidirectionnelle, et pour toutes les fréquences (ou couleurs) de la lumière. Une telle réflectance omnidirectionnelle pour les structures diélectriques est associée à des nanostructures cristallines photoniques tridimensionnelles qui maintiennent une bande interdite photonique complète. Cependant, les chercheurs ont toujours pensé que de telles structures auraient une plage de fréquence de fonctionnement étroite et leur comportement omnidirectionnel n'a jamais été démontré à ce jour.
Une équipe interdisciplinaire de physiciens et de mathématiciens de l'Université de Twente a maintenant effectué des calculs avancés sur un matériau très prometteur développé dans le groupe Systèmes photoniques complexes. "Nous avons étudié les cristaux photoniques dits de tas de bois inversé", dit le doctorant Devashish. "Ces cristaux sont constitués d'un réseau de pores régulièrement ordonnés percés dans deux directions perpendiculaires dans une plaquette de diélectrique tel que le silicium. La structure cristalline est inspirée des pierres précieuses de diamant."
Les chercheurs ont étudié la réflectivité des cristaux de tas de bois inversé en forme de diamant cubique par des calculs numériques et interprété des expériences récentes. Ils ont utilisé la méthode des éléments finis pour étudier ces cristaux entourés d'espace libre. "Nous avons constaté que même les piles de bois inversées très minces reflètent fortement de nombreuses couleurs de lumière de manière omnidirectionnelle", dit Devashish. "Dans les tas de bois inversés, l'absorption de la lumière est négligeable. Cela en fait un excellent candidat comme réflecteur arrière dans les cellules solaires. Nous nous attendons également à ce que ces cristaux photoniques de type diamant puissent conduire à des lasers sur puce, capes d'invisibilité et dispositifs pour confiner la lumière dans des volumes extrêmement petits."
Figure 2 :Les spectres de réflectivité calculés pour toutes les orientations de la lumière incidente. La lumière qui ne peut pas entrer dans les cristaux est réfléchie, signalant que ces couleurs sont totalement interdites d'exister à l'intérieur des cristaux, qui est la signature de la bande interdite photonique. Les chercheurs observent que la lumière pour une large gamme de couleurs est toujours réfléchie pour n'importe quel angle d'incidence et pour les deux orientations, même pour une plaque de cristal mince. La couleur bleu foncé représente une réflectivité élevée qui se produit dans la bande d'arrêt pour tous les angles. La couleur blanche représente une réflectivité proche de 0%. Les lignes pointillées oranges mettent en évidence la large gamme de fréquences où la lumière est réfléchie pour tous les angles d'incidence. Crédit :Université de Twente
