设计和纳米制造在西北大学的实验室里发生了碰撞。

一个跨学科的研究团队使用数学和机器学习来设计一种用于太阳能电池中光管理的最佳材料，然后用一种新的纳米制造技术同时制造纳米结构表面。

“我们已经缩小了设计和纳米制造之间的差距，”魏晨说，他是威尔逊-库克工程设计教授，也是西北麦克科米克工程学院的机械工程教授。“我们现在不是用一个简单的数学函数来设计一个结构单元，而是用一个简单的数学函数来设计和优化它，同时进行构造。”

快速、高度可伸缩、精简的方法可以取代繁琐的试错纳米制造和设计方法，这些方法往往需要大量的资源来完成。

同时设计和处理纳米结构为避免试验和错误制造铺平了道路，提高了纳米光子器件原型的成本效益。

研究人员目前对超薄、柔性太阳能电池中光吸收的纳米光子材料感兴趣。同样的原理也可以应用于在没有染料的衣服中实现颜色，并创建抗湿表面。对于太阳能电池，理想的纳米结构表面具有准随机结构-这意味着结构似乎是随机的，但确实有一个模式。设计这些图案可能是困难和耗时的，因为有成千上万的几何变量必须同时优化，以发现最佳的表面图案，以吸收最多的光。

陈说：“设计最优设计是一项非常乏味的工作。”“你可以使用类似于3D打印的纳米光刻技术，但是仅仅打印一个正方形需要花费数天和数千美元。这不实际。”

为了绕过纳米光刻的问题，Odom和Chen用皱纹光刻技术制造了准随机结构，这是一种新的纳米制造技术，可以快速地将皱纹图案转移到不同的材料中，以实现几乎无限数量的准随机纳米结构..通过将应变施加到基片上形成，起皱是一种简单的纳米表面结构可扩展制造方法。

奥多姆说：“重要的是，复杂的几何形状只能用三个参数来计算，而不是其他方法通常需要的数千个参数。”然后，我们使用迭代搜索循环中的数字设计来确定所需结果的最优纳米皱纹。

在国家科学基金会和海军研究办公室的支持下，这项研究本周在国家科学院院刊上在线发表。奥多姆实验室的博士生李元奎担任论文的第一作者。双成宇，博士研究生，最近毕业于陈氏集成设计自动化实验室(IDEAL)，担任论文第二作者..李和余对这项工作作出了同样的贡献。

该团队演示了在硅片上制造三维光子纳米结构的并行设计和制造方法，可用于太阳能电池。由此产生的材料吸收了160%的光，在800到1200纳米波长-在这一范围内，目前的太阳能电池效率较低-比其他设计。

陈说：“光的波长有不同的频率，我们没有只设计一个频率。”“我们设计的是整个太阳光频率的光谱，所以太阳能电池可以吸收宽带波长和广泛的角度。”

接下来，该团队计划将其方法应用于其他材料，如聚合物、金属和氧化物，用于其他光子学应用。