光催化效应仿真专题之二:FDTD光学仿真

光催化效应仿真专题之一:简介
光催化效应仿真专题之三:DEVICE热学仿真
完整的仿真方法和例子可以在KB上找到

此帖也可以供FDTD Solutions初学者的学习,同时也可以参考这个帖子

仿真设置步骤:
FDTD Solutions仿真设置一般包含下列4个步骤,下面纤细说明

1. 设置物理结构,包括几何形状和材料特性
简单的几何形状可以是sphere, shell, ellipsoid, triangle/ pyramid/cube/ rod /disk/ring /slab or combinations such as bowtie, dimer, trimer ,其典型尺寸在1纳米到数十纳米甚至达10微米,复杂的结构可以使用结构组(软件自带的结构库),或者自行用脚本设置。
常用的材料包括一些贵重金属、半导体、电介质以及一些合金或半导体化合物。 软件里面包含一些常用的材料,如果材料库中没有,用户可以自行添加。

单个粒子或是阵列:实际工作中很少使用单个粒子,但是对单个粒子粒子的分析可能有助于理解其机理。例如,gaped nano particles 可能提供几个量级的场增强。阵列的结构最常用,也可以是有限阵列和无限阵列,包括正方形、六角形和cloud-particle 等。有时激光束可能集中在几个周期之内,例如微流器件,此时是有限周期。

随机粒子:化学生长的一些纳米粒子可能很难控制其尺寸和分布,其它制造的微粒子一般都有制造误差。随机粒子的仿真需要做统计平均,因此,需要知道相关长度、概率分布(包括微纳粒子的尺寸、取向、位置等)、均值、标准差以及密度等。

2 仿真区、边界条件和网格
仿真区域由边界条件限制,边界条件与光源有关。在沿光传播方向以及非周期结构,一般采用PML,为了减少场–结构与PML的相互作用,结构应该距离PML半个波长作用;周期结构在周期方向可能需要采用周期边界:Periodic或Bloch,后者应该在平面波斜入射时采用。

网格尺寸决定仿真结果的精确性。为了提高仿真效率,一般建议使用网格精度2,在需要细网格的地方例如微小的间隙或者纳米结构,可以另外添加细化网格。此外,一般建议用软件缺省的自适应非均匀网格,PML应该位于均匀网格区。

3.光源
光催化效应仿真常用的是平面波、TFSF和高斯光束(一般是会聚光束,含标量激光束和矢量大数值孔径光束)。
正入射平面波与Periodic边界条件共同使用; TFSF用于非周期结构四周全部用PML。

光源光谱: 太阳光是宽光谱,激光是单波长。一般情况下用户不需要使用实际光源的光谱分布,因为此类光学仿真都是线性材料,结果都是归化的,使用软件自带的光源就可以,计算吸收时才需要光源的光谱分布。

光源强度和功率:吸收密度正比于光源功率。不过,在后面的热学仿真中可以修改光源功率。所以,光学仿真时用振幅为1 V/m 的电场就可以。

脉冲光源和连续波光源:一般情况都用脉冲光源获得任意指定波长的结果,不管是单波长还是宽光谱。即使是激光光源,也建议使用脉冲光源。

瞬态仿真 :一般光催化效应的时间尺度在毫秒量级,而光脉冲在飞秒量级,所以一般得到频域的稳态结果。如果要仿真瞬态结果,需要修改光源成为合适的脉冲。

偏振态:SPP对偏振非常敏感。而要仿真太阳光,一般需要做两个仿真才能获得非偏振非相干结果,除非结构有合适的对称性。

宽光谱斜入射:此时可以使用BFAST光源技术,在指定的角度内一次仿真可以得到宽光谱结果。

在光源偏振和结构有适当的对称性时,可以采用相应的对称性边界已提高仿真效率。

下表总结了光源横向的边界条件和光源类型:

4. 监视器与分析组
一般建议仿真区应该至少有一个时间监视器以监测信号衰减情况和频谱分布;
Frequency-domain field profile :记录指定波长范围的场分布
Field profile 场分布
Field and power场分布和功率,用于计算反射率透射率计算。
分析组:例如截面分析组、太阳能吸收功率密度计算组
折射率监视器:一般用来检查设置是否正确,在吸收组里记录每一点的折射率。
电影监视器:用于了解光与结构的相互作用,以及检查发散的原因。

实例
下面是一个六角阵列的金球位于SiO2表面,并由水覆盖。
关于阵列的生成,可以参考光子晶体结构组,这里我用脚本分别产生每个球,以方便大家了解内部是如何操作的。 对于周期结构,由边界条件保证其无限周期性,因此设置时不需要画很多的周期,以免由于显卡内存不够而影响操作速度。X方向设置周期为0.21微米,Y方向是其根号3倍。

这里仅对分析组作简单说明:该分析组来自光伏仿真的例子。考虑到半导体材料只能吸收一定波长的光谱(带隙显然不能吸收),因此分析组里有一个参数带宽Bandgap为1.12eV,低于此对应频率的光将不会被硅吸收。 但是我们这俄文件中没有硅,而且对应的波长是1.107微米,大于我们所选的波长最大值,可以不用理会。

反射率透射率和吸收率曲线。


电场幅值(V/m)截面分布。


吸收的光功率空间谱截面分布。

上述结果是X方向偏振。Y偏振的结果稍有不同:
因此,热学仿真需要这两个偏振才能给出太阳光非偏振的结果。这个是非偏振的结果:

sphere_hex_water.fsp (319.4 KB)

由于两个偏振的结果相差不多,初始设计可以仅仿真一个偏振:

注意:
前述例子的结构和参数均为示例,未经过优化,用户请参考表面等离基元等文献找到合适的结构或者自己优化设计;
相关的理论分析,例如表面等离基元增强等也需要进一步研究。

仿真小贴士:

  1. 参数化设计结构以方便优化和扫描;
  2. 结构具有对称性,但是不同的偏振需要使用不同的对称性边界条件,可以节省内存和仿真时间;
  3. 如果计算吸收截面可以简单地使用(1-R-T)*sourcepower/sourceinternsity
  4. 如果高温产生的材料折射率变化不能忽略,用户需要进行修正。
    更多的光学仿真技巧可以参考CMOS例子,特别是光学仿真

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