استاد راهنما:
دکتر احمد صابونچی
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب:
فهرست مطالب………………………………………………….. شش
فهرست اشکال………………………………………………….. هشت
فهرست جداول………………………………………………….. شانزده
فهرست علائم و نمادها………………………………………… هجده
چکیده…………………………………………………………….. 1
فصل اول: مقدمه…………………………………………………. 2
1-1 پیشگفتار……………………………………………………. 2
1-2 خنک کاری تشعشعی…………………………………….. 4
1-3 آینه های حرارتی………………………………………….. 5
1-4 تعریف مسئله……………………………………………… 5
1-5 اهداف پژوهش…………………………………………….. 6
1-6 روش انجام پژوهش………………………………………… 6
فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده ……………………….7
2-1 کارهای انجام شده قبلی…………………………………. 7
فصل سوم: محاسبه خواص تشعشعی لایه های نازک……. 24
3-1 ضریب شکست و بردار موج مختلط………………………. 24
3-2 پولاریزاسیون s و p…………………………………………
3-3 محاسبه خواص تشعشعی سطح مشترک دو محیط ….25
3-4 محاسبه خواص تشعشعی یک لایه ضخیم……………. 27
3-5 محاسبه خواص تشعشعی یک لایه نازک……………. 29
3-6 محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چند لایه…….. 31
3-6-1 پلاریزاسیون s …………………………………………..
3-6-2 پلاریزاسیون p…………………………………………..
3-7 محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چند لایه شامل یک لایه ضخیم…34
فصل چهارم: مدلسازی و روش بهینه سازی…………………. 37
4-1 خنک کاری تشعشعی……………………………………. 37
4-2 آینه های حرارتی…………………………………………… 42
4-3 ضریب جذب ماکزیمم در محدوده تشعشع خورشید …….43
4-4 ضریب عبور ماکزیمم در محدوده تشعشع خورشید…….. 43
4-5 ضریب بازتاب ماکزیمم در محدوده تشعشع خورشید….. 44
4-6 روش بهینه سازی………………………………………….. 44
4-6-1 الگوریتم ژنتیک……………………………………………. 44
4-6-2 روش عملیات حرارتی شبیه سازی شده…………….. 46
فصل پنجم: ارائه و تحلیل نتایج …………………………………49
5-1 اعتبارسنجی محاسبات………………………………….. 49
5-2 خنک کاری تشعشعی…………………………………….. 53
5-2-1 خنک کاری در طول روز…………………………………….. 53
5-2-2 خنک کاری در شب……………………………………….. 68
5-2-3 خنک کاری با بهره گرفتن از مواد با قابلیت انحلال در آب… 76
5-3 آینه های حرارتی……………………………………………. 81
5-3-1 لایه ضخیم SiO2…………………………………………..
5-3-2 لایه ضخیم BaTiO3 ……………………………………….
5-4 ضریب جذب ماکزیمم در محدوده تشعشعی خورشید…. 97
5-4-1 ضریب جذب ماکزیمم سلولهای خورشیدی لایه نازک… 101
5-5 ضریب بازتاب ماکزیمم در محدوده تشعشعی خورشید …103
5-6 ضریب عبور ماکزیمم در محدوده تشعشعی خورشید ….104
فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهاد…………………………. 105
6-1 نتیجه گیری………………………………………………… 105
6-2 پیشنهاد برای پژوهش های آتی………………………… 106
پیوست 1: نحوه محاسبه خواص تشعشعی به کمک نظریه الکترودینامیک……108
پ1-1 معادلات مکسول……………………………………………..108
پ1-2 معادله موج…………………………………………………..110
پ1-2-1 فرض هدایت الکتریکی صفر……………………………110
پ1-2-2 فرض هدایت الکتریکی غیر صفر……………………….113
پ1-3 بردار پویینتینگ………………………………………………..114
پ1-4 محاسبه خواص تشعشعی سطح مشترک دو محیط………117
پ1-4-1 پلاریزاسیون s………………………………………………
پ1-4-2 پلاریزاسیون p……………………………………………
پ1-5 محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چند لایه……….123
پ1-5-1 پلاریزاسیون s…………………………………………..
پ1-5-2 پلاریزاسیون p…………………………………………..
پیوست 2: نمودارهای خواص تشعشعی ساختارهای بهینه… 130
پ2-1-نمودارهای ساختارهای بهینه خنک کاری در روز………. 130
پ2-2-نمودارهای ساختارهای بهینه خنک کاری در شب…….144
پ2-3-نمودارهای ساختارهای بهینه آینه حرارتی…………….. 150
پ2-4-نمودارهای ساختارهای بهینه با ضریب جذب بالا ……….156
مراجع …………………………………………………………….. 162
چکیده:
پوشش با لایههای نازک نقش بسیار مهمی در صنایع نیم رسانا ها و تجهیزات میکروالکترومکانیک و نانوالکترومکانیک دارد. با اضافه کردن یک لایه نازک به سطح به علت تداخل امواج الکترومغناطیسی، خواص تشعشعی سطح کاملا متفاوت خواهد بود. در این پروژه با بهره گرفتن از روشهای الکترومغناطیسی، خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه نازک محاسبه میشود و با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک و عملیات حرارتی شبیهسازی شده، خواص چنین ساختاری با تغییر جنس و ضخامت لایهها با توجه به مسائل کاربردی بهینهسازی میشود.
یکی از مسائل مورد بررسی در این پروژه خنککاری تشعشعی است. مشخص شده که در صورتیکه رطوبت بالا نباشد جو زمین در بازه 8 تا 13 میکرومتر به صورت یک چاه حرارتی عمل می کند و درنتیجه در صورت استفاده ازیک پوشش انتخابگر، به گونهای که تبادل انرژی را به این بازه محدود کند میتوان بدون مصرف انرژی خنککاری انجام داد. استفاده از پوششهایی که امکان خنککاری تحت تابش مستقیم نور خورشید را مهیا کنند تا کنون به صورت یک چالش باقی مانده است. در این پروژه تعدادی پوشش معرفی شده، که به کمک آنها امکان خنککاری جزئی در حد 2 تا 3 درجه سانتیگراد، تحت تابش مستقیم نور
خورشید وجود دارد. همچنین تعداد زیادی پوشش بهینه برای خنککاری در شب معرفی شده است. به علاوه ایدهی استفاده از پتاسیم بروماید پوششداده شده از دو طرف به عنوان یک پوشش بسیار مناسب برای خنککاری در شب برای اولین بار مطرح شده است. افت دما با بهره گرفتن از چنین پوششی حدود 123% افزایش خواهد داشت.
همچنین ساختارهای بهینه جهت کاربرد به عنوان آینه حرارتی معرفی شده است. ضمن اینکه BaTiO3 به عنوان یک آینه حرارتی بسیار مناسب، برای اولین بار مورد بررسی قرار گرفته است.
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
با توجه به کاربردهای وسیع لایههای نازک، استفاده از این تکنولوژی در بسیاری از ادوات اپتیکی، الکترونیکی و تجهیزات مربوط به انرژی خورشیدی متداول شدهاست. از طرفی، اطلاع از خواص تشعشعی ساختارهای چندلایه[1] شامل لایههای نازک، در بسیاری از کاربردهای عملی مانند فرایندهای گرمایی سریع[2] (RTP) [1و2] و سلولهای خورشیدی حائز اهمیت کلیدی میباشد. یافتن ضخامت بهینه لایهها جهت دستیابی به خواص تشعشعی مورد نظر، کاربردهای مهمی در تجهیزات خنککننده تشعشعی[3]، آینههای حرارتی[4]، کلکتورهای خورشیدی و سلولهای خورشیدی دارد، ولی با این وجود به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است.
لایه های نازک در کاربردها معمولا به شکل ساختارهای چندلایه مطابق شکل 1-1 استفاده میشوند.
همانطور که دیده میشود یک لایه ضخیم(Substrate) با ضخامتی از order میلیمتر وجود دارد که در اطراف آن (یا فقط در یک سمت) لایههای نازک قرار دارند. یکی از ویژگیهای مهم این ساختارها قابل تنظیم بودن خواص تشعشعی آنها است. خواص تشعشعی چنین ساختارهایی به عوامل متعددی بستگی دارد که در ادامه لیست میشوند[3]:
1- تعداد لایه ها
2- جنس لایه ها
3- نحوه چینش لایه ها
4- ضخامت لایه ها
5- زاویه برخورد
6- دمای لایه ها
7- پلاریزاسیون پرتو برخوردی
با توجه به تغییرات طیفی خواص تشعشعی این لایهها میتوان با بهره گرفتن از ترکیبهای متنوع از لایههای مختلف، خواص تشعشعی را در بازههای مختلف طول موج تغییر داد. در نتیجه در صورتیکه جنس و ضخامت لایهها به درستی انتخاب شود، میتوان به کمک ساختارهای چندلایه نازک به پوششهای انتخابگر متنوع دسترسی پیدا کرد.
2-1- خنک کاری تشعشعی
بخشی از انرژی گسیل شده از خورشید در جو زمین جذب میشود که این خود منجر به گسیل انرژی از سوی جو خواهد شد. درنتیجه شار انرژی تشعشعی وارد بر سطح زمین، از 2 بخش تشعشع خورشید و تشعشع آسمان تشکیل شده است(شکل 1-2). در این شکل شار تشعشعی برحسب GW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازهی طول موج 1 میکرومتر معادل 1000 W/m2) و MW/m3 (شار انرژی بر واحد سطح در بازهی طول موج 1 میکرومتر معادل 1 W/m2) آورده شده است. حدود 95 درصد تشعشع خورشید در بازه 0.3-2.4 μm وارد میشود در صورتیکه، تشعشع آسمان عمدتا در بازه 4-85 μm و کاملا در محدوده مادون قرمز قرار میگیرد. در صورتیکه رطوبت خیلی زیاد نباشد، در بازه 8-13 μm تشعشع آسمان بسیار کم است. در سایر طول موجها تشعشع آسمان تقریبا بر یک توزیع پلانک در دمایی در حدود 300 کلوین منطبق است. به بازه 8-13 μm پنجره اتمسفری[1] گفته میشود. در این بازه اتمسفر به صورت یک چاه حرارتی عمل می کند و تشعشع گسیل شده از اجسام واقع در سطح زمین با تشعشع ورودی جو بالانس نمیشود. این واقعیت مبنای خنککاری تشعشعی است. به این ترتیب خنککاری، بدون مصرف انرژی امکان پذیر خواهد بود[4]. این روش در نگهداری مواد غذایی و دارویی، تهیه آب خنک، خنک کاری ساختمانها[5و6و7] و چگالش رطوبت هوا[8و9و10] کاربرد دارد.
در صورتیکه یک جسم سیاه در طول شب در هوای آزاد قرار گیرد، بیشترین توان خنککاری قابل دسترسی خواهد بود. ولی به دلیل تبادل حرارت جا به جایی با هوا امکان خنککاری بیشتر از 10-20 ºC امکان پذیر نیست[12]. با بهره گرفتن از یک پوشش جابهجایی[1]، با کاهش ضریب انتقال حرارت جا به جایی در حالت ایدهآل میتوان به دمایی حدود 30-40 ºC پایینتر از محیط رسید. ولی خواص تشعشعی طیفی متفاوت پوشش نسبت به هوا باعث کاهش توان خنککاری میشود. ضریب عبور یک پوشش ایدهآل باید در بازه 8-13 μm برابر با 1 و در سایر طول موجها برابر با صفر باشد. در طول روز شار تشعشعی قابل ملاحظهای در محدوده 0.3-2.4 μmبر سطح زمین وارد میشود، که خنککاری را بسیار سخت می کند. بنابراین یک پوشش ایدهآل برای خنککاری در روز علاوه بر شرایط قبلی باید ضریب بازتاب بسیار بالایی در محدوده تشعشع خورشید داشته باشد.
هدف بخش عمده فعالیتهای 3 دهه اخیر، دستیابی به یک پوشش مناسب برای خنککاری تحت نور مستقیم خورشید بوده است، ولی این مسئله همچنان به صورت یک چالش باقی مانده است.
3-1- آینه های حرارتی
منظور از آینه حرارتی پوششی است که به نور مرئی اجازه عبور میدهد در حالیکه، از انتقال حرارت تشعشعی در محدوده مادون قرمز جلوگیری می کند. در نتیجه با بهره گرفتن از چنین پوششی علاوه بر تأمین نور مورد نیاز برای روشنایی ساختمان، از اتلاف انرژی به صورت تشعشعی جلوگیری خواهد شد. علاوه بر این چنین پوششهایی در بالا بردن جذب انرژی در سلولهای خورشیدی و کلکتورهای خورشیدی کاربرد خواهند داشت. ضریب عبور در محدوده نور مرئی ( 0.4-0.7 μm) و ضریب بازتاب در محدوده مادون قرمز (طول موجهای بالاتر از 0.7 μm) برای یک آینه حرارتی ایدهآل، برابر با یک است[4و13].
4-1- تعریف مسئله
در پژوهش حاضر خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه با تغییر دادن جنس لایهها، ترتیب چینش لایهها، ضخامت لایهها و تعداد لایهها بهینهسازی میشود. بهینه سازی با توجه به مسائل کاربردی و در یک یا چند بازه طول موج انجام خواهد شد.
در پروژه حاضر ساختارهای بهینه جهت کاربرد در خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی معرفی خواهد شد. همچنین ساختارهای لایه نازک با ضرایب جذب، بازتاب و عبور ماکزیمم در محدوده تشعشع خورشید معرفی خواهد شد. چنین ساختارهایی میتوانند در کلکتورهای خورشیدی، سلولهای خورشیدی و آبگرمکنهای خورشیدی کاربرد داشته باشند.
5-1- اهداف پژوهش
اهداف این مطالعه عبارتند از:
1- محاسبه خواص تشعشعی یک ساختار چندلایه نازک
2- معرفی پوششهای لایه نازک بهینه برای کاربردهای متنوع با در نظر گرفتن محدوده وسیعی از مواد مختلف
3- ارائه یک بررسی تئوری جامع در مورد خنککاری تشعشعی و استفاده از پوششهای لایه نازک به عنوان پوشش جابهجایی
4- معرفی پوششهای بهینه جهت خنککاری تشعشعی در روز و شب
5- معرفی ساختارهای بهینه جهت کاربرد به عنوان آینه حرارتی
6-1- روش انجام پژوهش
در این پروژه بهینه سازی با بهره گرفتن از دو روش الگوریتم ژنتیک[1] و عملیات حرارتی شبیهسازی شده[2] انجام خواهد شد. خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه نازک با بهره گرفتن از روشهای الکترومغناطیسی محاسبه میشود.
پس از نوشتن کد محاسباتی و وارد کردن ضرایب شکست و استهلاک[3] مواد مختلف مدل محاسبه خواص یک ساختار چند لایه نازک تهیه میشود. سپس با تعریف یک تابع هدف بر اساس فیزیک مسئله، بهینهسازی به کمک 2 روش یاد شده انجام میشود.
در فصل دوم برخی از پژوهشهای قبلی انجام شده، مرور میشود. در این فصل مهمترین پژوهشهای تجربی و تئوری انجامشده در زمینه خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی شرح داده میشود. در فصل سوم نحوه محاسبه خواص تشعشعی برای یک ساختار چندلایه مورد بحث قرار میگیرد. مدلسازی فیزیکی مسائل به همراه روش بهینهسازی در فصل چهارم مورد مورد بحث قرار میگیرد و تابع هدف برای هر مسئله معرفی میشود. نتایج بهینهسازی به همراه کلیه پوششهای بهینه در فصل پنجم آورده شده است. در فصل ششم نتیجه گیری و جمعبندی نهایی نتایج همراه با ارائه پیشنهادهایی ارائه شده است.
فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده
در این فصل پژوهشهای تجربی و تئوری انجام شده در مورد کاربرد لایههای نازک و ساختارهای چندلایه به عنوان پوششهای انتخابگر مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین سایر پژوهشهای انجام شده در زمینه خنککاری تشعشعی و آینههای حرارتی مرور خواهد شد.
1-2- کارهای انجام شده قبلی
فو (Fu) و همکاران [14] خواص تشعشعی ساختارهای چند لایهای را برای لایه های نازک با ضریب شکست مثبت و منفی، مقایسه کرد. وی یک ساختار متشکل از چهارلایه را در نظر گرفت. لایههای اول و چهارم را محیط نیمه بی نهایت با مواد دی الکتریک یکسان و ضریب شکست مساوی در نظر گرفت. لایه های میانی را یکی از خلا و دیگری را با ضریب شکست منفی در نظر گرفت. ضخامت لایههای میانی را 8/0 سانتی متر انتخاب کرد. نتایج وی نشان دادند که، انتخاب لایه با ضریب شکست منفی، منجر به ضریب عبور بسیار بزرگی برای ساختار چند لایهای می شود.
راویندرا (Ravindra) و همکاران [15] اثر زاویه تابش پرتو ورودی به لایه سیلیکون ضخیم به ضخامت 700 میکرو متر در طول موج های 9/0 میکرومتر و 7/2 میکرومتر را بررسی کرد. وی از روش غیر همدوس برای سیلیکون ضخیم استفاده کرد. نتایج وی نشان داد، تغییر در ضریب صدور با زاویه تابش از زاویه صفر تا º 70 خیلی ناچیز است. ولی ضریب صدور برای زاویه تابش بزرگتر از º 70، به سرعت تغییر می کند. وی این نتایج را برای دماهای ºC 30، ºC 500 و ºC 1000 بدست آورد. همچنین او نشان داد، در دماهای بالا، ضریب صدور سیلیکون به مقدار ذاتی آن یعنی 7/0 می رسد و در محدوده طول موج 1 میکرومتر تا 20 میکرومتر، مستقل از طول موج می باشد. همچنین نتایج او نشان دادند ضریب عبور در طول موجهای کوتاهتر، حوالی لبه جذب سیلیکون، ناچیز است و نیز ضریب عبور در دماهای بالا، قابل چشمپوشی است.
راویندرا اثر زاویه پرتو ورودی در حالت زیر لایه سیلیکون ضخیم پوشیده شده با دی اکسید سیلیکون را نیز بررسی کرد. ضخامت زیر لایه سیلیکون 700 میکرومتر و ضخامت پوشش دی اکسید سیلیکون برابر با 001/0 میکرومتر، 01/0 میکرومتر و 1/0 میکرومتر در نظر گرفته شد. وی نتایج مدلسازی خود را در دماهای ºC 30، ºC 500 و ºC 900 ارائه داد.
لی (Lee) و همکاران [16] خواص تشعشعی ساختار های چند لایهای شامل سیلیکون و پوشش دی اکسید سیلیکون، در محدوده طول موج 1تا 5 میکرو متر را بررسی کرد. در این کار سیلیکون آلاییده کم[1] استفاده شد و اثر پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی یک سمت و یا هر دو سمت بررسی شد. زیر لایه سیلیکون با ضخامت 7/0 میلیمتر و پوشش دی اکسید سیلیکون با ضخامت 300 نانو متر در نظر گرفته شد. وی جهت مدل سازی خواص تشعشعی به علت ضخیم بودن زیر لایه سیلیکون از روش غیر همدوس[2] استفاده کرد. وی نتایج شبیه سازی خود را برای دماهایºC 25 و ºC 500 ارائه داد. وی به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر[3] ضریب بازتاب چند نمونه از سیلیکون پوشش داده شده با دی اکسید سیلیکون در دمای اتاق را بدست آورد و با نتایج مدل سازی به روش غیر همدوس مقایسه کرد که از تطابق خوبی برخوردار بود.
لی(Lee) و همکاران [17] خواص تشعشعی لایه های نیمه شفاف را شبیه سازی کرد. وی از روش رد یابی پرتو ها[4] جهت شبیه سازی خواص تشعشعی استفاده کرد. وی نتنایج خود را در محدوده طول موج 5/0 میکرو متر تا 5/4 میکرومتر ارائه داد. نتایج وی نشان داد پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به کاهش شدید ضریب بازتاب می شود. نتایج لی، در محدوده ی دمای اتاق تا دمای ºC 500 و برای سیلیکون ضخیم به ضخامت 625 میکرومتر با پوشش دی اکسید سیلیکون به ضخامت 300 نانومتر بررسی شد.
بونک (Bohnke) و همکاران [18] سطوح با ضریب بازتاب بالا و همچنین ضریب صدور بالا را بررسی کرد. وی از پوشش های آلومینیم و دی اکسید سیلیکون استفاده نمود. او نشان داد، پوشش آلومینیم منجر به حصول ضریب بازتاب بالا و پوشش دی اکسید سیلیکون منجر به ضریب صدور بالا می شود. نتایج وی نشان دادند اگر یک لایه دی اکسید سیلیکون بر روی یک لایه آلومینیم پوشش داده شود، ضریب بازتاب کمتری نسبت به حالت پوشش با یک لایه آلومینیم، بدست می آید. اگرچه پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی لایه آلومینیم منجر به کاهش ضریب بازتاب گشت، ولی این ساختار منجر به یک سطح صادر کننده، جهت تقویت تشعشع حرارتی شد.
وی به روش رسوب بخار شیمیایی، عمل لایه نشانی را انجام داد و سپس به کمک دستگاه اسپکتروفوتومتر، ضرایب بازتاب و عبور را بدست آورد. او نتیجه گرفت، استفاده از پوشش دی اکسید سیلیکون بر روی پوشش آلومینیم ساختار مناسبی جهت حصول بازتاب مناسب، توام با صدور سطحی کافی می باشد، که میتوان از این ساختار در کاربردهای فضایی، جهت کنترل دما استفاده کرد.
لی (Lee) و همکاران [19] در سال 2005 یک برنامه به زبان VBA نوشت که خواص ساختارهای متفاوت پر کاربرد در فرآیند RTP را محاسبه می کند.
علومی [3] اثر تغییر پارامترهای مختلف ازجمله زاویه برخورد، پلاریزاسیون، دما، جنس، ضخامت و ترتیب چینش لایهها را بر خواص تشعشعی ساختارهای چند لایه برای چندین چینش گوناگون محاسبه کرد. وی همچنین ساختار بهینه را برای 9 لایه شامل یک بستر سیلیکون پوشیدهشده با لایههایی از جنس دیاکسید سیلیکون و نیترید سیلیکون، با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک محاسبه کرد. همچنین یک مسئله بهینه سازی برای 9 لایه شامل یک بستر سیلیکون پوشیدهشده با لایههایی از جنس دیاکسید سیلیکون و نیترید سیلیکون، با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک توسط علومی حل شده که این بهینه سازی بر اساس تعداد لایه، جنس لایهها و ضخامت آنها بوده و در طول موج ثابت انجام شدهاست.
گرانکویست (Granqvist) و همکاران [12] در سال 1982 پوشش لایه نازک SiO/Al و Si3N4/Al بر روی شیشه را مورد بررسی تجربی قرار داد. وی با تعریف ضرایب و به صورت روابط 2-1 تا 2-3 بحث کرده که با ماکزیمم شدن ، توان خنککاری ماکزیمم خواهد شد. همچنین حداکثر افت دمای قابل دسترسی با ماکزیمم شدن بدست خواهد آمد. در این روابط تنها انتقال حرارت تشعشعی در نظر گرفته شده و از جا به جایی صرفنظر شده است.
1Lightly doped Silicon
2Incoherent Formulation
3Spectrophotometer
4Ray Tracing Method
1 Genetic Algorithm
2 Simulated annealing
3 Extinction Coefficient
2Convective Shield
1Atmospheric Window
1 Multilayer Structures
2 Rapid Thermal Processes