Гибридное нанокомпозитное покрытие TiO₂ достигает 80% диффузной отражательной способности и подавления зеркального блика

Аннотация

Мы демонстрируем, что гибридное микроструктурированное TiO₂ покрытие может достичь исключительной диффузной отражательной способности, используя как поверхностные, так и объемные механизмы рассеяния. Конвенциональные диффузные рефлекторы зависят в основном от случайной текстурной поверхности; наша числовая и экспериментальная работа показывает, что упорядоченно-хаотичные гибридные структуры обеспечивают эффективное диффузное отражение по всему видимому спектру. Отражательная способность заметно растет с толщиной покрытия, в то время как угловая- и поляризационно-зависимые зеркальные компоненты сильно аттенуируются, подчеркивая потенциал покрытия как высокопроизводительного диффузного рефлектора для передовых фотонических приложений.

Преамбула

Диффузное рассеяние света от шершавых поверхностей лежит в основе многих оптических и материаловедческих приложений, управляя явлениями от светозахвата в солнечных элементах до проектирования освещения [1–7]. Хотя поверхностное рассеяние случайно текстурированных диэлектриков широко эксплуатировалось [8,9], недавние исследования раскрывают объемное рассеяние в негомогенных средах, возникающее из перекрестных корреляций между шероховатостью поверхности и внутренними неоднородностями [10,11]. Эта дуальная парадигма рассеяния предлагает более богатый инструментарий для управления интенсивностью и поляризацией рассеянных полей [12–15] и бесшовно интегрируется с плазмоникой, наноантеннами и метаматериалами, позволяя новые фотонические функциональности [16–18].

Гибридные микроструктурированные рефлекторы уже улучшили управление светом в компонентах, таких как солнечные элементы и дисплеи [19–24]. Перенаправляя свет, который иначе уходил бы вперед, они повышают производительность приборов. Однако большинство дизайнов полагаются на случайные текстуры поверхности; вопрос о том, может ли одновременное интерфейсное и объемное рассеяние дать превосходные результаты, остается открытым.

В этом исследовании мы исследуем паттернированную сборку эллипсоидальных наночастиц TiO₂, комбинирующую интерфейсное и объемное рассеяние. Мы изготавливаем несколько гибридных микроструктурированных покрытий, оцениваем их спектры диффузной отражательной способности и валидируем выводы методами конечных разностей во временной области (FDTD), раскрывая механизм, подавляющий зеркальное отражение и способствующий изотропному рассеянию.

Методы

Приготовление TiO₂ продуктов

TiO₂ прекурсоры синтезировали добавлением 12,5 мл тетрабутил титаната в смесь 50 мл 30% H₂O₂ и 5 мл 26–28% NH₄OH под непрерывным перемешиванием. Холодная дистиллированная вода затем вводили для достижения общего объема 200 мл, давая шафран-желтый раствор. После фильтрации для удалениянерастворенных частиц, 10 мл прекурсора переносили в 50 мл тефлоновый сосуд с 10 мл воды и 20 мл абсолютного этанола, запечатывали и нагревали при 180 °C в течение 10 ч. Полученный остаток центрифугировали, промывали водой и этанолом, сушили при 60 °C в течение 2 ч. Для анатазных нанокристаллов объем прекурсора снижали до 5 мл.

Фабрикация гибридного нанокомпозитного покрытия TiO₂

Покрытия выращивали на фтор-смешанном оксиде олова (FTO) стекле трехстадийным процессом: (1) синтез анатазных TiO₂ нанокристаллов или сборок через солвотермальный маршрут с вариацией дозы прекурсора; (2) осаждение нанокристаллической суспензии на подложку методом доктор-блейд с контролем толщины клейкой лентой; (3) послеосадочное отжигание при 450 °C (5 °C мин⁻¹) в течение 30 мин.

Характеризация

Поверхностную морфологию изучали полевой-эмиссионной сканирующей электронной микроскопией (FE-SEM, HITACHI S4800) и передающей электронной микроскопией (TEM, Tecnai F30). Рентгеновское дифракционное анализ (XRD) выполняли на дифрактометре Rigaku D/max-2500 (Cu Kα, λ = 0,1542 нм). Диффузную и поляризационно-зависимую зеркальную отражательную способность измеряли на спектрофотометре Agilent Cary 5000 с 110 мм интегрирующей сферой и переменно-угольным аксессуаром.

Результаты и обсуждение

Диффузная отражательная способность четырех микроструктурированных покрытий

Были изготовлены четыре архитектуры покрытий (Рис. 1): чистый нанокристалл, смесь (равновесная смесь эллипсоидальных нанокристаллов и сфероидальных сборок), двухслойный (нанокристаллический слой, покрытый слоем сборок) и чистая сфероидальная сборка (наносфера). Все покрытия были ~14 мкм толщиной; двухслойный состоял из двух ~7 мкм подслоев. SEM изображения (Рис. 1а–д) показывают эллипсоидальные нанокристаллы (~20 нм) и сфероидальные сборки (~100 нм), расположенные в сферы ~100–600 нм со средним диаметром 330 нм (Рис. 3а).

SEM изображения микроструктурированных покрытий: а нанокристалл, б смесь, в двухслойный, г наносфера. Все ~14 мкм толщиной.

Спектры диффузной отражательной способности (400–800 нм) представлены на Рис. 2а. Смесь превосходит чистый нанокристалл, в то время как двухслойный превосходит оба, указывая, что сфероидальные сборки обеспечивают превосходное рассеяние. Чистое наносферное покрытие достигает наивысшей средней отражательной способности (~55%) по видимому диапазону, хотя оно падает ниже 50% выше 700 нм из-за более слабого рассеяния низкоэнергетических фотонов относительно малыми элементарными ячейками.

а Диффузная отражательная способность четырех 14 мкм покрытий. б Оптимизированные наносферные покрытия толщиной 8, 10 и 12 мкм.

Увеличение размера нанокристаллов и толщины покрытия дополнительно повышает отражательную способность. Оптимизированные 8 мкм наносферные покрытия превышают 40% средней отражательной способности, оставаясь высокими по всему спектру. Более толстые покрытия (12 мкм) достигают до 80% отражательной способности между 550–800 нм, подтверждая, что объемное рассеяние внутри гибридной структуры дополняет поверхностное рассеяние для захвата и перенаправления света.

Структурные детали наносферных покрытий

SEM и TEM изображения (Рис. 3б–г) раскрывают, что 100–600 нм сферы являются мезопористыми сборками многоориентированных эллипсоидальных нанокристаллов (~10–30 нм). Спинделисто-острые концы и нерегулярные поверхности усиливают эффективность рассеяния. XRD паттерны подтверждают анатазную фазу (JCPDS 21-1271) с расширенными пиками из-за распределения размеров (Рис. 3ф).

SEM, б SEM, в TEM, г TEM, д HR-TEM изображения наносферного покрытия. е XRD паттерн.

Механизм рассеяния через FDTD моделирование

FDTD модели реплицировали экспериментальную геометрию, используя эллипсоидальные нанокристаллы (L = 60 нм, R = 30 нм), собранные в сферы. Смоделированные карты электрического поля (600 нм) показывают равномерное рассеяние и резонанс внутри сборок (Рис. 4б). По мере увеличения числа слоев отражательная способность заметно улучшается (Рис. 4в), подтверждая экспериментальный тренд, что более толстые гибридные покрытия усиливают заднее рассеяние.

а Схема наносферных сборок и трехслойного покрытия. б Распределение электрического поля. в Расчетная диффузная отражательная способность.

Поляризационно-зависимая зеркальная отражательная способность

Зеркальная отражательность для оптимизированных 8 мкм и 12 мкм наносферных покрытий оставалась ниже 2% по 400–700 нм даже при косом падении, подтверждая широкополосное, поляризационно-независимое подавление блика (Рис. 5а–б). Выше 700 нм происходит незначительный рост, вероятно, из-за эффектов нанотопографии поверхности на более высокоэнергетических фотонах. Важно, что полоса подавления зеркального отражения и амплитуда во многом независимы от поляризации и толщины, подчеркивая надежность сборки со случайной ориентацией.

Зеркальная отражательность для s- (а) и p-поляризованного (б) света.

Заключение

Мы представили низкозатратный солвотермальный маршрут для производства гибридных TiO₂ микроструктурированных покрытий, комбинирующих интерфейсное и объемное рассеяние. Подбирая размер эллипсоидальных нанокристаллов внутри мезопористых сфероидальных сборок, мы достигли до 80% диффузной отражательной способности от 550 до 800 нм и подавления зеркального блика ниже 1,5% по 400–800 нм независимо от угла или поляризации. Эти покрытия демонстрируют перспективы для высокоэффективных диффузных рефлекторов и светоуправляющих слоев в солнечных элементах, дисплеях и других фотонических приборах.

Аббревиатуры

FDTD

Метод конечных разностей во временной области