Engineering the thermal emission of macroporous silicon

Todos los cuerpos emiten luz espontaneamente al ser calentados. El espectro de radiacion es una funcion de la temperatura y el material. Sin embargo, la mayoria de los materiales irradia, en general, en una banda espectral amplia. Algunas matereiales, por el contrario, son capaces de concentrar la radiacion termica en una banda espectral mucho mas estrecha. Estos materiales se conocen como emisores selectivos y su uso tiene un profundo impacto en la eficiencia de sistemas sistemas tales como iluminacion y conversion de energia termofotovoltaica. De los emisores selectivos se espera que sean capaces de operar a altas temperaturas y que emitan en una banda espectral muy concisa. Uno de los metodos mas prometedores para controlar y disenar el espectro de emision termico es la utilizacion de cristales fotonicos. Los cristales fotonicos son estructuras periodicas artificiales capaces de controlar y confinar la luz de formas sin precedentes. Sin embargo, la produccion de dichas estructuras con grandes superficies y capaces de soportar altas temperaturas sigue siendo una dificil tarea. Este trabajo esta dedicada al estudio de las propiedades de emision termica de estructuras 3D de silicio macroporoso en el rango espectral mid-IR (2-30 m). En particular, este trabajo se enfoca en reducir la elevada emisividad del silicio cristalino. Las muestras estudiadas en este trabajo tienen una periodicidad de 4 m, lo que limitan los resultados obtenidos a la banda del infrarrojo medio, aunque estructuras mucho mas pequenas son tecnologicamente realizables con el metodo de fabricacion utilizado. Hemos demostrado que el silicio macroporoso 3D puede inhibir completamente la emision termica en su superficie. Mas aun, esta banda se puede ajustar en un amplio margen mediante pequenos cambios durante la formacion de los macroporos. Tambien hemos demostrado que tanto el ancho como la frecuencia de la banda de inhibicion se puede doblar mediante la aplicacion de tecnicas de postprocesado adecuadas. Finalmente hemos mostrado que es posible crear bandas de baja emisividad arbitrariamente anchas mediante estructuras macroporosas aperiodicas.

All bodies radiate light spontaneously when heated. The spectrum of radiation is a function of temperature and the material but most materials radiate, in general, in a broad spectral range. Some material, however, can concentrate thermal radiation in a much narrow spectral band. Those materials are termed selective emitters and have a profound impact on efficiency in, for instance, lighting or thermophotovoltaic energy conversion. Selective emitters are expected to operate at high temperatures and to emit light in avery concise frequency range. One of the most promising methods to control and engineer thermal radiation is the use of photonic crystals. Photonic crystals are artificial periodic structures that can control and confine light in unprecedented ways. However, producing such structures in large areas, and able to withstand high temperatures, still is a challenging task. This work is devoted to the study of the thermal emission properties of 3D macroporous silicon structures in the mid-IR (2–30 μm). In particular, this work focuses on reducing the otherwise high emissivity of silicon. Samples studied in this work have a pitch of 4 μ m, limiting results to the MIR region, although much smaller sizes are technologically chievable. We have demonstrated that 3D macroporous silicon can inhibit thermal radiation from the top surface of the samples. Further, this band could be tuned in a broad range just with small changes during the macropores formation. We also demonstrated that width and frequency position of this band could be doubled by applying postprocessing techniques to the initial samples. Finally, we have shown that arbitrarily large bands with low emissivity can be produced by aperiodic macroporous structures with the lattice constant chirped along the pore axis.