Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Дизайн нано-метаабсорбера в форме расщепленного гексагонального массива патчей со сверхширокополосным поглощением для приложений видимого и УФ-спектра

Аннотация

Солнечная энергия является одним из источников окружающей среды, из которого можно легко очистить энергию без загрязнения окружающей среды. Намерение солнечного элемента для сбора энергии требует современной техники для ускорения поглощения энергии электронным потоком для производства большего количества электричества. Структуры солнечного элемента были исследованы для повышения эффективности поглощения, хотя большинство из них могут эффективно поглощать только с малым углом наклона и поляризационной чувствительностью. Таким образом, существует большой спрос на широкополосное поглощение с минимальной поляризационной чувствительностью поглотителя, которое требуется для эффективного сбора солнечной энергии. В этой статье мы предложили новый поглотитель из метаматериала с гексагональной решеткой (SHPA) с двойными отрицательными характеристиками (DNG), который обеспечит широкую полосу поглощения с низкой поляризационной чувствительностью для сбора энергии солнечного спектра. Предлагаемая новая форма SHPA состоит из шести нано-плеч с одним вертикальным разрезом, симметричным острием стрелки. Это плечо будет управлять электромагнитным (ЭМ) резонансом для получения абсолютной отрицательной диэлектрической проницаемости и проницаемости, обеспечивая свойство DNG. Особенности этого метаматериала DNG были проанализированы на основе квантового метода фотопреобразования для максимального поглощения фотонов. Симметричные характеристики предложенной структуры позволяют поглотителю проявлять поляризационную нечувствительность и способность поглощения при широком угле падения. Смоделированный SHPA показывает способность поглощения электромагнитных волн в видимом и ультрафиолетовом (УФ) спектрах более 95%. Квантовый метод дает преимущество в эффективности преобразования поглотителя, а численный анализ предложенной структуры SHPA обеспечивает качество поглощения для сбора энергии в режиме ТГц с помощью солнечных элементов или фотонных приложений.

Введение

Материальная инженерия вносила свой вклад в историю развития человечества с древних времен, и «метаматериал» скоро станет одним из важнейших прорывов в управлении. «Мета», обозначающее смену жанра материала, демонстрирует уникальные диэлектрические характеристики, такие как отрицательная диэлектрическая проницаемость и проницаемость, проста в изготовлении [1]. Различная возможность применения [2, 3] в метаматериале заставляет нескольких исследователей по всему миру более любопытно провести сравнительный анализ инноваций в своих соответствующих областях исследований. Преобразование фотонной энергии из видимого диапазона частот и включение его в сбор энергии, в частности, исследования энергии на основе солнечных элементов, является одной из многообещающих областей в поглотителях из метаматериалов [4,5,6]. Световые волны видимого или ультрафиолетового диапазона всегда окружали нас без серьезных проблем и с большим количеством энергии. Среди всех установленных методов использования фотоэлектрические (ФЭ) технологии широко применяются в полевых условиях, и в последние несколько лет был предложен современный метод повышения производительности, чтобы сбалансировать будущие проблемы зеленой энергии. . Например, одиночные, поликристаллические и поликристаллические ячейки для повышения эффективности, разработка фотоэлектрических элементов с использованием металлогалогенных перовскитов, фотоэлектрических элементов с органическими и квантовыми точками для повышения эффективности преобразования энергии, оптоэлектронное качество материалов, соответствующих фотоэлектрическим элементам, которые влияют на выходную мощность [7] и т. Д. на. Кроме того, такие методы изготовления материалов, как последовательное нанесение высококачественного слоя PV-перовскита [8], PV-перовскиты с покрытием и печатью [9], рециркуляция фотонов [10] или алгоритм, основанный на аналогии центроидов в точке максимальной мощности [11], и т. Д. сосредоточены на повышении эффективности солнечных элементов.

Кроме того, потенциальная область сбора солнечной энергии с использованием комбинации антенны и выпрямителя (диода), известная как «ректенна», также была исследована для повышения эффективности типичного фотоэлемента. Ректенны изучались в основном для передачи энергии на основе микроволн, поскольку они очень эффективны при преобразовании микроволновой энергии в электричество. Например, запатентованный прототип [12], использующий нанотехнологию, направлен на преобразование света в электричество с повышенной эффективностью и в настоящее время совместим с традиционными солнечными элементами. Экспериментальная процедура показывает, что ректенна, помещенная под фотоэлектрическим модулем, давала выходную мощность от 380 до 480 Вт / м 2 с комбинированным модулем увеличилась с 10–20% до 38–40%. Из-за ограничений технологии нанопроизводства большая часть прототипа работает в дальнем инфракрасном диапазоне, а не в видимом спектре. Можно ожидать, что развитие нанотехнологий может еще больше ускорить этот подход. Таким образом, в недавних статьях была принята разнообразная стратегия сбора солнечной энергии, такая как гибридизация радиочастотной и солнечной энергии с помощью многопортовой прозрачной антенны [13], обеспечивающая эффективность 72,4% с эффективностью преобразования радиочастот в постоянный ток 53,2%. Эволютивная дипольная наноантенна (EDN) [14], изготовленная методом электронно-лучевой литографии, посвященная оптимизации эффективности сбора урожая, где эффективность увеличилась с 30% до 40% по сравнению с классической дипольной наноантенной (CDN). Металл-изолятор-металл (MIM), интегрированный с SiO 2 туннель [15] показывает эффективность преобразования более 90%, Zhang и Yi [16] предложили аналогичный подход с использованием нано-ректенны в форме бабочки, заявленная эффективность преобразования составляет 73,38%. Аналогичным образом, ректенна на основе метаматериала со встроенным резонатором Фабри-Перо (FP) на основе диода Шоттки [17] продемонстрировала высокую добротность и 16-кратное улучшение характеристик, а оптическая ректенна, созданная на основе метаматериала и разработанная на основе полуклассической модели, заявляет о высокой эффективности, недорогие солнечные батареи [18]. Мало того, исследовано несколько вариаций характеристик метаматериала, таких как переключаемый метаматериал с бифункциональностью поглощения [19], тонкая метаповерхность на основе диоксида ванадия, метаповерхность, вдохновленная германием, для настраиваемого зондирования [20]. Помимо традиционной идеи сбора энергии, большая часть поглотителей или антенн из метаматериалов разработана для сбора энергии RF, а не видимого спектра. Сбор энергии в этих статьях [21, 22] не может способствовать солнечной батарее.

Недавние исследования в области ректенны ТГц диапазона или поглотителя из метаматериалов, вдохновленные нано-ректенной, все еще проходят лабораторный эксперимент или анализ из-за нескольких ограничений, таких как согласование импеданса, интеграция между элементарной ячейкой и фотоэлектрической ячейкой, подача преобразованной энергии из элементарной ячейки в фотоэлектрическую единицу, эффективность преобразования фотонов , транспортные потери и т. д. Более того, фотоэлектрические элементы могут ухудшить характеристики из-за параметров окружающей среды и узкой полосы поглощения в видимом спектре. Тем не менее, наноразмерные антенны или поглотители изучаются с использованием передовых технологий проектирования и изготовления, таких как плазмонный поглотитель с всенаправленной структурой [23] с эффективностью сбора около 38%, электромагнитный коллектор с гибкой подложкой на основе нанотенны (NEC) [24] демонстрирует 90% -ное поглощение за счет преодоления оптического поведение материалов и производственных ограничений. Уникальные оптические и электрические свойства наноразмерной структуры [25,26,27,28,29] показывают широкий диапазон процентов поглощения с динамическими характеристиками материала. Хотя большая часть описанных сложных структур все же сложна для применения в поглощении солнечной энергии, некоторые поглотители из метаматериалов используются для предполагаемого применения на экспериментальной основе [30, 31]. Когда антенна преобразует падающую электромагнитную волну в сигнал переменного тока, диод может выпрямить ее до пригодного для использования постоянного напряжения. Более 90% эффективности преобразования может быть получено в радиочастотах. Тем не менее, чрезвычайно трудно расширить ректенну до оптического режима из-за сложного процесса и слишком медленного отклика диодного выпрямления. Редко замечаемая работа по прямому фотоэлектрическому преобразованию без диода, известная как динамический эффект Холла (DHE), была описана Х. Барлоу в 1954 году. Было предложено создавать постоянное напряжение за счет совместного действия динамических электрических и магнитных полей наклонной плоскости. падающее излучение. Этот эффект теоретически проявляется для всех проводящих материалов и применим ко всем спектрам ЭМ от микроволнового до видимого диапазона частот с быстрым откликом [32]. Таким образом, потенциальная область повышения эффективности системы сбора солнечной энергии с использованием метаматериалов еще предстоит изучить, проанализировать и повторно использовать все доступные методы, чтобы ускорить типичную эффективность солнечных элементов на уровне приложений.

В этой статье мы предлагаем поглотитель из метаматериала SHPA на трехнослойном материале с характеристиками DNG, смоделированными как в видимом, так и в УФ-режиме для сбора солнечной энергии. Метод анализа конечных разностей во временной области (FDTD) после формирования структуры, анализа и коммерчески доступной CST Microwave Studio (MWS) 2017, используемой для моделирования. Поэтому стандартные граничные условия, применяемые для анализа распространения волн, а также плоская поляризация TE, TM также моделируются для широкоугольного поглощения. Для оптимизированного по структуре поглотителя из метаматериала нанодиапазона генетические алгоритмы (ГА) были успешно применены во многих различных конструкциях для получения положительного результата [33, 34]. Следовательно, предложенный поглотитель использует аналогичный алгоритм [33] для определения характеристик материала с отрицательным показателем преломления (NIM). На рисунке 1c показана область проектирования элементарных ячеек, оптимизированная для GA, в которой наноразмерно разделенная форма Hexa и разделенная сетка 10 × 7. Внутри сетки разделенная сетка 3x3 изображает гексагональную форму. Фактический механизм - это интерполяция данных для получения улучшенного поглощения при изменении геометрического размера при сохранении формы наноструктуры. Целью этого ГА является извлечение метаматериала SHPA для видимой частоты с максимально возможными характеристиками NIM. Параметр рассеяния, оцененный во время моделирования, передается в программу MATLAB для извлечения характеристик и анализа соответствующих свойств. Численное исследование показывает более 95% поглощения в обоих частотных режимах со значительными характеристиками левого метаматериала. Таким образом, предлагаемый SHPA с дальнейшей проверкой может доказать свою потенциальную область применения, такую ​​как сбор солнечной энергии, процесс накопления фотонов для солнечного элемента или фотонное усиление.

Нано-метаабсорбер ШПА. а Физическое измерение. б Настройка моделирования. c Иллюстрация кодировки, оптимизированной для GA

Вычислительный дизайн и методология

Поглотитель из метаматериала SHPA был смоделирован как двухслойная подложка, арсенид галлия (GaAs) и никель (оптический), а также накладной слой на золоте (Au). GaAs толщиной 80 нм с диэлектрической проницаемостью 12.94 и толщиной Ni 100 нм (рис. 1а). В таблице 1 показаны подробные размеры структуры элементарной ячейки. Толщина участка SHPA составляет 90 нм, а пленка Au незначительна для локализованного магнитного поля, изотропная проводимость 4,1 × 10 7 См / м [35]. Согласно «анизотропному тензору проводимости Друде» [36], рассматривается только Z-компонента локального магнитного поля. Потому что ортогональная составляющая двух других осей намного слабее, чем Z-составляющая. Во время моделирования периодические граничные условия в направлениях X и Y применяют PEC (идеальный электрический проводник) и PMC (идеальный магнитный проводник) соответственно на верхнем и нижнем слое (рис. 1b). Анизотропная проводимость элементарных ячеек обеспечивалась включением локализованного магнитного поля. Были смоделированы S-параметры SHPA в диапазоне от 430 ТГц до 1000 ТГц с шагом 100 ТГц. Диапазон отражения (R), пропускания (T) и поглощения (A), полученный с помощью A =1-T-R, где | S 11 | 2 =R и | S 21 | 2 =T. Плоская волна электрического поля, определяемая E = E x Cos ( ωt + kz ), распространяющиеся по направлению к оси Z, где E x - амплитуда электрического поля, ω - угловая частота, t время, а k - волновое число.

Разработка геометрической структуры метаматериала, предложенная Пендри [37], широко применима для микроволнового диапазона, но режим ТГц, то есть видимая и оптическая частота, имеет серьезные недостатки в виде отрицательной проницаемости и параллельного распространения многослойной подложки. Таким образом, альтернативный подход к проектированию [38] металл-диэлектрик-металл иллюстрирует хороший отклик как резонансный магнитный диполь для нормального распространения в структуре, который демонстрирует отрицательную проницаемость, а упрощенную структуру слоев относительно легко изготовить в наномасштабе. Более того, проектирование поглотителя из метаматериала со свойствами DNG в трехмерном пространстве требует некоторых характеристик структуры, таких как обратное распространение, обратный эффект Доплера, усиление затухающих волн и т. Д. Хотя теоретический анализ и возможности, касающиеся видимого частотного спектра, уже были описаны экспертами [39 , 40,41]. Таким образом, МА для тонкопленочной наноструктуры на основе характеристик ДНГ имеет отношение к отрицательному ε и μ и обычно используется как периодический тонкий металлический массив. Тонкая металлическая пластина разбавляет плазму свободных электронов, описываемую моделью «Друде», но, поскольку мы считали, что верхний слой имеет потери, поэтому

$$ \ varepsilon ={\ varepsilon} _0 {\ varepsilon} _r \ left (1- \ frac {{\ omega_p} ^ 2} {\ omega ^ 2} \ right) \; \ mathrm {and} \; \ mu ={\ mu} _0 {\ mu} _r \ left (1- \ frac {M_m ^ 2} {\ omega ^ 2 - {\ omega} _m ^ 2 + j \ omega {\ gamma} _m} \ right) $ $ (1)

где ω p приведенная плазменная частота зависит от геометрического размера тонкого слоя, ω м - частота магнитного резонанса, γ м потери, M м определяет силу магнитного резонанса.

Результаты, анализ и обсуждение

Мощность и диэлектрические свойства элементарной ячейки

Согласно фотоквантовому методу, определенное количество энергии требуется на граничном условии элементарной ячейки, особенно в направлении распространения, угле поляризации, токе электрического и H-поля и т. Д. Итак, давайте проанализируем мощность, необходимая для распространения в мультикристаллическом направлении [42]. Уравнения (2) и (3) основаны на комплексной векторной теореме Пойнтинга, вдохновленной [42, 43]. Дело в том, что энергия, получаемая элементарной ячейкой, будет солнечным светом, который является всенаправленным, а поток энергии, использующий поглотитель, должен идти в нужном направлении для повышения эффективности. Таким образом, мощность распространяющейся волны прямо пропорциональна действительной части вектора, связанной со средним по времени параметром. Стимулированная мощность на одном или обоих портах будет распространяться через элементарную ячейку. Остальная энергия уйдет через все порты (исходящее питание). Принятая мощность в элементарной ячейке преобразуется в потери, такие как свойства диэлектрических материалов, пятна или сосредоточенные элементы, рассматриваемые для нано-плеч SHPA. Учитывая действительную часть комплексной средней мощности в Z -направление

$$ {P} _ {c \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ operatorname {Re} \ left \ {\ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} \ overrightarrow {E} \ times \ overrightarrow {H}. \ Mathrm {zdz} \ right \} $$ (2)

Что также верно для (Z -ve direction), чтобы описать чистый поток энергии в конкретном порту. Фактор ½ в уравнении. (2) связано с усреднением по времени поля по часовой стрелке. Мнимой частью мощности можно пренебречь из-за нераспространяющейся реактивной или накопленной энергии и можно рассчитать передаваемую мощность (P T ) наблюдая за средней временной мощностью по X и Y ось соответственно-

$$ {P} _ {T \ left (\ mathrm {avg}. \ Right)} =\ frac {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _y. \ mathrm {dy}} {\ operatorname {Re} \ frac {1} {2} \ underset {A} {\ int} {P} _x. \ mathrm {dx}} $$ (3)

Аналогичным образом, принимаемая и исходящая мощность была рассчитана с использованием уравнения в [43] и представлена ​​на рис. 2, где соответствующая мощность (рис. 2a) и мощность, проходящая через элементарную ячейку (рис. 2b), наблюдались в нанометаабсорбенте во время моделирования. Стимулируемая мощность ограничена 0,5 Вт во всем спектре, в то время как принимаемая и исходящая мощность в обоих портах имеет обратное распределение мощности. Однако трехмерный поток мощности демонстрирует необычные характеристики из-за инерции дипольного момента в рабочем диапазоне частот и неоднородного состояния проникновения материала. Начиная с 430 ТГц, большая часть дипольного момента не организована, поскольку работа в ТГц диапазоне на начальной стадии имеет эффект поляризации и стабильно имеет надлежащий дипольный эффект после 715 ТГц, который продолжался до 1000 ТГц. Кроме того, полупроводниковые свойства материала GaAs, а также ферромагнитные характеристики Ni несут ответственность за предотвращение

Распределение мощности в метаабсорбере SHPA ( a ) 2D-распределение ( b ) 3D поток энергии через элементарную ячейку

поток мощности, но, к счастью, не такой доминирующий. Диэлектрические свойства ( ε , μ , η ) извлекается из S-параметра для численного исследования для оценки свойств метаматериала. Поглотитель с элементарной ячейкой из трех различных материалов имеет изолированные характеристики при распространении электромагнитных волн, но этот уникальный структурный размер с каскадной емкостью и индуктивностью на верхних участках изменяет обычные свойства диэлектрических свойств отдельных материалов и отображает уникальные свойства. Теперь, извлекая диэлектрические свойства, использовался метод DRI [44], где коэффициент передачи (S 21 ) и коэффициент отражения (S 11 ) был критическим параметром.

На рисунке 3 показаны все результаты моделирования предлагаемого нано-метаабсорбера SHPA. Рис. 3а, б величина S 11 и S 21 имеет почти постоянную величину как в действительной, так и в мнимой части. Хотя отклик инфракрасного диапазона имеет три последовательные точки небольшого резонанса из-за эффекта глубины скин-слоя (δ) структуры, к счастью, он играет положительную роль в получении отрицательной диэлектрической проницаемости, проницаемости и показателя преломления. На рис. 3c, d, e соответственно показаны действительные и мнимые значения этих свойств и гарантируется существование метаматериала на предлагаемой SHPA. Кроме того, необходимо учитывать интенсивные тепловые электромагнитные исчезающие поля [45] в связи с перспективой применения сбора солнечной энергии. В [45, 46] экспериментально отмечено, что при излучении в ближней зоне теплопроводность двух следующих друг за другом материалов постепенно увеличивается. Кроме того, поверхностные поляритоны также доминируют в затухающих волнах и, согласно «модели Друде», комплексная диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость определяются поляризацией волн внутри элементарной ячейки. На рис. 3 c, d, e представлены диэлектрические свойства, для которых эта затухающая волна влияет на работу диэлектрической и магнитной проницаемости на более низких длинах волн. Следовательно, отрицательные характеристики предлагаемой элементарной ячейки существенно заметны и обеспечивают хорошее поглощение ЭМ. Характеристики линии передачи и КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) нанопоглотителя SHPA на рис. 4 ясно показывают величину отражения

Характеристики метаматериала ШПА. а S 11 Ответ. б S 21 Ответ. c Разрешимость. г Проницаемость. е Показатель преломления в видимом и инфракрасном спектре

Диаграмма Смита показывает КСВН элементарной ячейки SHPA по спектру при нормированном импедансе

и производительность линии передачи. КСВН при сопротивлении 430 ТГц был высоким, и полуволны линии не имели хорошего согласования от источника к стороне нагрузки. Следовательно, величина поглощения электромагнитного сигнала также мала на более низкой частоте, но постепенно импеданс пытался максимально согласовать (с нормализованным), в результате получилось более 90% поглощения в инфракрасном спектре (1000 ТГц). Поскольку элементарная ячейка представляет собой поглощающий элемент, а не излучающий элемент; следовательно, его КСВ на стороне нагрузки не имеет более высокого значения.

Анализ полевого эффекта

Электромагнитная природа света - это поперечная электромагнитная волна в видимых областях. Свет, исходящий от солнца, делится на три спектра:инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ). Спектральное распределение энергии солнечного света имеет максимальную интенсивность 1,5 эВ в видимом диапазоне, как и большинство полупроводниковых материалов, в то время как два других спектра выделяют тепло при поглощении. Таким образом, с учетом типичного распространения электромагнитного излучения видимого света и граничных условий, указанных на рис. 1b, численные характеристики электрического поля (E-поле) и магнитного поля (H-поле) показаны на рис. 4. Хотя характеристики резонансной частоты 445 ТГц представлены на рис. на рисунке, но вся полоса пропускания 430 ~ 650 ТГц имеет аналогичное распределение поля. Теперь векторные волновые уравнения, упомянутые в [47]

$$ {\ displaystyle \ begin {array} {l} {\ nabla} ^ 2 {E} _m - {\ gamma} ^ 2 {E} _m =0 \\ {} {\ nabla} ^ 2 {H} _m - {\ gamma} ^ 2 {H} _m =0 \ end {array}} \ Big \} $$ (4)

где одномерный векторный дифференциальный оператор незначительно меняется в зависимости от изменения фазы во время распространения электромагнитной волны, компоненты электрического и магнитного поля равны E м и H м соответственно, постоянная распространения \ (\ gamma =\ sqrt {j \ omega \ mu \ left (\ sigma + j \ omega \ varepsilon \ right)} \) является комплексной величиной, связанной с затуханием и отклонением фазы волны. Поскольку волна видимого света обладает свойствами как волны, так и частиц, при распространении волны через материал элементарной ячейки наблюдаются вариации с точки зрения характеристик электрического и H-поля. Кроме того, γ имеют нелинейную связь с диэлектрическими свойствами, поскольку рабочая частота постепенно увеличивается. На рисунке 5 показано каждое нано-разделение на значимой компоненте электронного поля SHPA (2,31 × 10 6 В / м в логарифмической шкале) существуют при резонансе 550 ТГц. Хотя в смоделированной области частот (видимой и УФ), это сильное E-поле наблюдается с небольшими вариациями по амплитуде. Горизонтальная и вертикальная коммутационная полоса (с четырьмя разделениями) также вносят вклад в составляющую поля с вариацией амплитуды (2,08 × 10 5 ~ 2,31 × 10 6 В / м логарифмическая шкала). Во время анализа переходных процессов элементарной ячейки SHPA (двухступенчатый каскад) с учетом емкости и индуктивности 1,37 × 10 −17 нФ и 3,87 × 10 −14 nH ускоряют работу поля резонансной частоты. H-поле (рис. 5b) имеет аналогичный эффект при распространении электромагнитного излучения вдоль Z-направления и при проникновении в неоднородную среду, уравнение. (5) становится функцией Z и в котором постоянная магнитной проницаемости. Затем соответствующее волновое уравнение сводится к «дифференциальному уравнению Рикатти» [48]

$$ \ frac {d \ psi (z)} {dz} + {\ psi} ^ 2 (z) =- {k} ^ 2 {m} ^ 2 (z) $$ (5) <картинка> <источник type ="image / webp" srcset ="// media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-019-3231-4/MediaObjects/11671_2019_3231_Fig5_HTML.png?as=webp">

Влияние поля на ШПА при резонансе 550 ТГц. а Электронное поле. б H-поле

где k - волновое число, а m (z) - комплексный показатель преломления. Кроме того, фазовая задержка волны увеличивается с увеличением отношения фазовой скорости в свободном пространстве и в среде, что является еще одним важным вкладом предложенной элементарной ячейки SHPA для более низкого коэффициента отражения и поглощения большего количества энергии от волны.

Поляризация световой волны изучалась на предлагаемой элементарной ячейке SHPA, чтобы объяснить возможность использования элементарной ячейки для сбора солнечной энергии, поскольку поляризованная волна через поверхность теряет свою энергию во время распространения. В гамильтоновой формулировке [49] упоминается, что матричные элементы дипольных переходов меняются для TE и TM поляризации при разных углах падения волны на материал GaAs. Угол поляризации как для TE, так и для TM моды увеличивает размер шага на 40 ° (рис. 6), а угол поляризации электрического поля имеет неожиданно доминирующий эффект по сравнению с ориентацией магнитного поля. В режиме TE в более низком диапазоне, примерно 430–650 ТГц (от 690 до 460 нм) [50], для данной разницы в комбинации подложек Ni-GaAs разница между слоями сердцевины и оболочки приводит к изменению показателя преломления, который увеличивается. когда видимая длина волны приближается к запрещенной зоне. Следовательно, флуктуация величины поглощения наблюдается на этом спектре (рис. 6a), тогда как TM-поляризация показывает флуктуацию аналогичного типа, несмотря на изменение угла поляризации от 0 ° до 120 °. В режиме TM фазовое рассогласование обычно увеличивается для более длинных волн. Кроме того, гексагональная форма существенно влияет на поглощение при изменении зазора и высоты накладки. Емкость, образованная участком с разделенным зазором, изменяется, в то время как соседняя емкость по положению вставки остается неизменной. Рисунок 6c:изменение расщепленного зазора с 5 до 25 нм и уменьшение расщепленного зазора дает отличное поглощение из-за значительной емкости. Несмотря на изменение зазора, поглощение почти остается выше 90% для 5 нм, а постепенное увеличение расщепленного зазора приводит к первоначальному падению поглощения примерно на 430–500 ТГц, но общее поглощение 95% наблюдается во время моделирования. Что касается высоты SHPA (рис. 6d), поскольку разделение пятна остается 10 нм, площадь распространения электромагнитного сигнала совместно увеличивается как при нормальном, так и при наклонном падении и, следовательно, высота разделения оптимизируется с более высоким значением с поглощением. Для высоты или толщины SHPA от 60 до 90 нм среднее поглощение от 85% до 88%, что прямо указывает на оптимизацию для 90 нм.

Влияние поляризации на поглощение. а TE поляризация. б Поляризация TM и влияние структуры SHPA. c Разделенный зазор против поглощения. г Высота по сравнению с поглощением

Однако изготовленный прототип и результаты измерений SHPA будут поддерживать смоделированные данные, которые будут перенесены на следующий этап исследования. Кроме того, сравнительная картина описана в таблице 2, чтобы понять вклад предлагаемого нано-метаабсорбера. В таблице 2 опубликованная статья [51] показывает хорошую эффективность, но рабочая частота и узкополосные характеристики не позволяют работать с видимой частотой. Другая статья [52, 53] предназначена для приложений сбора солнечной энергии, но пропускная способность и рабочий диапазон делают его более уязвимым по сравнению с другими.

Выводы

В этой статье предлагается расщепленный гексагональный поглотитель из метаматериала с использованием шести нанопруков из золота на основе GaAs и Ni для приложений сбора солнечной энергии. Фотоквантовый анализ и распределение потока мощности математически показывают, что предлагаемая элементарная ячейка имеет значительную возможность преобразования фотонов для фотоэлектрических или солнечных элементов. Характеристики предложенной элементарной ячейки SHPA были проанализированы на основе диэлектрических свойств, характеристик линии передачи, поля и распределения мощности, поглощения с точки зрения параметрического исследования. Все данные были извлечены из S-параметра с помощью моделирования CST MWS, которое показывает, что характеристики DNG существуют со сверхширокополосным электромагнитным поглощением (более 95%) как в видимом, так и в УФ спектре света. Оптимизированный патч Hexa - это разделенный зазор 10 нм и высота 90 нм для заявленного поглощения. Экспериментальная проверка предложенного поглотителя будет продолжена, чтобы стать желательным кандидатом в приложениях сбора энергии в ТГц диапазоне.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

CDN:

Классическая дипольная наноантенна

DRI:

Прямой показатель преломления

DNG:

Двойной минус

EM:

Электромагнитный

FDTD:

Конечная разность во временной области

GA:

Генетический алгоритм

PV:

Фотоэлектрические

SHPA:

Разделенный шестиугольный массив патчей

UV:

Ультрафиолет


Наноматериалы

  1. Тестирование и проектирование COTS для обеспечения безопасности с инициативой Samtec SET
  2. Широкополосный идеальный абсорбер с однослойным MoS2 и массивом нанодисков из гексагонального нитрида титана
  3. Ультратонкий идеальный поглотитель и его применение в качестве плазмонного датчика в видимой области
  4. Синтез нанокристаллов ZnO и применение в инвертированных полимерных солнечных элементах
  5. Эффективный и действенный дизайн нанопроволок InP для максимального сбора солнечной энергии
  6. Оценка структур графен / WO3 и графен / CeO x как электродов для применения в суперконденсаторах
  7. Возобновляемый флуоресцентный зонд BHN-Fe3O4 @ SiO2 Гибридная наноструктура для Fe3 + и ее применение в биоимиджинге
  8. Улучшение частотной модуляции и поглощения ТГц микроболометра со структурой микромоста с помощью антенн спи…
  9. Принципы проектирования органических солнечных элементов с наночастицами, усиленными плазмонами
  10. Фотоэлектрические характеристики солнечных элементов с наноконусной решеткой с контактным переходом и улуч…