Достижение поглощения свыше 97% в диапазоне 350–1200 нм с дизайном двух высокопотерьных резонаторов

Аннотация

Эффективное широкополосное поглощение солнечного излучения востребовано для десалинации морской воды, защиты от обледенения и других приложений возобновляемой энергетики. Мы предлагаем идею наложения двух высокопотерьных резонансов для расширения полос пропускания малослойного поглотителя, состоящего из диэлектрик/металл/диэлектрик/металл слоев. И моделирование, и эксперимент показывают, что структура имеет среднюю эффективность поглощения выше 97% на длинах волн от 350 до 1200 нм. Полоса пропускания поглощения выше 90% достигает 1000 нм (410–1410 нм), что больше, чем у предыдущих планарных MIM-поглотителей (≤ 750 нм). Особенно, среднее поглощение от 350 до 1000 нм сохраняется выше 90% при угле падения до 65°, и остается выше 80% даже при угле 75°. Характеристики нечувствительности к углу значительно лучше предыдущих малослойных солнечных поглотителей. Гибкие 1D метаповерхности из неблагородных металлов изготавливаются в один этап испарения. Под освещением галогенной лампой P = 1,2 кВт/м² гибкая метаповерхность повышает свою поверхностную температуру на 25,1 К от комнатной. Дальнейшие эксперименты демонстрируют, что локализация тепла быстро плавит накопленный лед. Наша интенсивность освещения (P = 1,2 кВт/м²) составляет лишь половину от той (P = 2,4 кВт/м²) в предыдущих исследованиях солнечной антиобледенения на базе золото/TiO₂ частичных метаповерхностей, что указывает на преимущество нашей метаповерхности для практических применений. Наши результаты иллюстрируют эффективный путь к широкополосным метаповерхностным поглотителям с привлекательными свойствами: механической гибкостью, низкой стоимостью неблагородных металлов и возможностью крупнотоннажного производства, что открывает перспективы в приложениях солнечного теплового использования.

Введение

Оптический поглотитель с высокой и широкой полосой поглощения давно является важной научной и технологической целью [1–9] для многих приложений, включая термофотовольтаику [10–15], генерацию пара [16, 17] и фотодетекцию [18]. В последние годы оптические метаматериалы/метаповерхности — искусственно структурированные материалы из 2D массивов субдлинноволновых элементарных ячеек — широко исследуются и развиваются [1, 2], такие как плотно упакованные нанопроволоки [19], нанотрубки [15], конические канавки [20–22] и пирамидальные дизайны [23, 24]. Несмотря на огромные усилия по улучшению характеристик этих поглотителей на базе 2D массивов [25–37], сложность fabricación большинства этих наноструктур, требующая электронно-лучевой литографии (EBL) [20], ионно-лучевой фрезеровки (FIB) [23], наноимпринт-литографии [22] или литографических технологий [24], препятствует их дальнейшему масштабированию.

Для решения этих проблем 1D метаповерхности на основе концепции литографически свободных планарных дизайнов становятся темой интенсивных исследований в последние годы [1, 5, 8, 25–27]. Недавно ученые доказали поглощающую способность некоторых малослойных конфигураций (таких как одиночный благородный металл, изолятор-металл (IM) и металл-изолятор-металл (MIM) структуры) [1, 8, 25–27, 38–48], которые благоприятны для локального накопления поглощенного тепла. Во-первых, для простых планарных конфигураций на базе благородных металлов (Au, Ag) полосы поглощения (A > 90%) меньше 500 нм, так как поглощение вызвано только эффектом поверхностных плазмонно-поляритонных (SPP) [1–8]. Эти поглотители на базе SPP также показывают врожденную угловозависимость из-за условий согласования импульса [1–8]. Кроме того, некоторые поглотители с благородными металлами на базе IM или MIM планарных конфигураций также предлагались и демонстрировались с использованием Фабри-Перо (FP) резонанса. Однако для этих планарных поглотителей (таких как Ge/Au [48] и Ag/Si/Ag [49]) полосы поглощения (A > 80%) обычно менее 300 нм из-за использования только одного FP резонанса. Одновременно стоимость благородного металла в большинстве вышеупомянутых поглотителей высока [1–8, 48, 50]. Недавно несколько групп использовали неблагородные металлы (Mo, Cr) на базе MIM планарных наноструктур для демонстрации оптических поглотителей [50, 51]. Mo/Al₂O₃/Mo поглотитель на базе одного FP резонанса показал поглощение выше 90% от 400 до 900 нм [50]. Cr/Al₂O₃/Cr поглотитель на базе одного FP резонанса показал поглощение выше 90% от 400 до 1150 нм [51]. Для большинства сообщаемых малослойных планарных поглотителей полоса пропускания Δλ_BW (A > 90%) в видимом и ближнем ИК диапазоне меньше 750 нм. Тем временем для этих MIM планарных наноструктур на базе одного FP резонанса средняя эффективность поглощения на длинах волн 400–1000 нм падает ниже 90% для угла падения больше 40° при TE-поляризации. Такая угловая зависимость спектральной характеристики является существенным недостатком, затрудняющим практическое применение. Таким образом, проектирование и реализация малослойных неблагородных 1D метаповерхностей для достижения всенаправленного, широкополосного и эффективного поглощения являются сложной, но необходимой задачей для практических приложений.

Здесь мы предлагаем и экспериментально демонстрируем малослойную неблагородную 1D метаповерхность, которая накладывает два высокопотерьных резонатора для расширения полос пропускания (Δλ_BW) поглотителей. Малослойная неблагородная 1D метаповерхность состоит из диэлектрик/металл/диэлектрик тонких слоев на толстом металлическом слое и включает два высокопотерьных резонатора. Благодаря наложению двух высокопотерьных резонаторов средняя эффективность поглощения нашей метаповерхности выше 97% на длинах волн от 400 до 1200 нм. Полоса пропускания поглощения (A > 90%) достигает 1000 нм (410–1410 нм), что больше, чем у предыдущих планарных MIM поглотителей (Δλ_BW = 750 нм [51]) [1–8, 48, 50]. Более того, среднее поглощение для широкого диапазона углов падения до 0–65° все превышает 90% на длинах волн 350–1000 нм. Это делает наши поглотители более выгодными для практических приложений по сравнению с предыдущими планарными MIM поглотителями [1–8, 48, 50], у которых средняя эффективность поглощения на 400–1000 нм падает ниже 90% для угла падения больше 40° при TE-поляризации. Метаповерхность изготавливается однопасовым электронно-лучевым испарением на стеклянной подложке, а также на гибкой PET подложке. Измеренные спектры поглощения неблагородной метаповерхности хорошо согласуются с результатами моделирования. Благодаря эффективному оптическому поглощению и фототермической конверсии в ультратонком поглощающем слое (толщина = 10 нм) неблагородная метаповерхность демонстрирует повышение температуры (ΔT_e = 25,1 К) при освещении галогенным источником (P = 1,2 кВт/м²). Повышение температуры (ΔT_e = 25,1 К) выше, чем у недавних солнечных поглотителей на базе золото-частичной метаповерхности (ΔT_e = 12 °C при P = 2,4 кВт/м²) [48] и золото-никелевой плазмонной метаповерхности (ΔT_e = 8 °C при P = 1,2 кВт/м²) [49]. Для практических приложений мы демонстрируем, что метаповерхность способна удалять лед под галогенным источником (P = 1,2 кВт/м²). Это эффективнее по сравнению с предыдущей работой по солнечному антиобледенению на базе золото/TiO₂ частичной метаповерхности с галогенным источником P = 2,4 кВт/м² [48]. Литографически свободное изготовление нашей 1D малослойной метаповерхности легко масштабируется, облегчая ее широкое использование в практических фототермических приложениях.

Проектирование и методы

Проектируемая 1D малослойная метаповерхность состоит из изолятор/металл (высокопотерьный)/изолятор тонких слоев на толстом металлическом слое, как показано на Рис. 1a. Толщины верхних трех тонких слоев — h₁, h_m и h₂ соответственно. падающий свет может отражаться взад и вперед от границы диэлектрик-воздух и границы диэлектрик-металл в IM планарной наноструктуре, образуя резонатор [48], как показано на Рис. 1b (Резонатор 1). Длина Резонатора 1 — h₁. Аналогично, металл (высокопотерьный)/изолятор/металл (высокопотерьный) планарная наноструктура также является резонатором [49–51] (обозначается Резонатор 2 на Рис. 1c), и длина Резонатора 2 — h₂. Резонансное условие двух резонаторов:

$$2\left( \frac{2\pi}{\lambda_{\text{res}}} \right) n_i t_i + \phi_b + \phi_t = 2\pi m$$ (1)

Здесь λ_res — резонансная длина волны. n_i и t_i — показатель преломления и толщина изоляторного слоя соответственно. m — целое число, определяющее порядок резонансного режима. Φ_b и Φ_t — фазовые сдвиги, приобретаемые при двух отражениях. Из уравнения (1) следует, что увеличением t_i резонансная длина волны λ_res смещается в красную область. Кроме того, с увеличением толщины (t_i) изоляторного слоя увеличивается число резонансных мод. Для увеличения поглощения и расширения рабочей полосы пропускания (Δλ_BW) резонаторов используются высокопотерьные металлические материалы для верхнего и нижнего металлических слоев. Как известно, в природе существует много высокопотерьных материалов, таких как Ti, W, Ni. Эти материалы недороги. Здесь Ti выбран как высокопотерьный металл (второй и четвертый слои). Слой MgF₂ выбран как первый и третий слои. Другие похожие диэлектрики, такие как SiO₂, TiO₂ и полимеры, также могут использоваться как диэлектрические слои.

Чтобы доказать, что структура на Рис. 1a имеет два резонатора, моделируются и изображаются спектры поглощения IM и MIM планарных структур на Рис. 1b, c соответственно. Поглощение метаповерхности можно рассчитать по формуле A = 1 − R − T. Двухмерный метод конечных разностей во временной области (FDTD) используется для моделирования предлагаемой структуры. Нормально падающий свет идет вдоль отрицательного направления z с поляризацией вдоль x. Размер сетки установлен 1 нм. Периодические граничные условия применяются в направлениях x и y. Идеально согласованные слои (PML) реализованы на верхней и нижней границе модели. Для диэлектрических проницаемостей диэлектрика и металла используются экспериментальные данные из [53]. В эксперименте проектируемая метаповерхность изготавливается с помощью электронно-лучевого испарителя. Оптические спектры пропускания (T) и отражения (R) метаповерхности измеряются спектрофотометром Shimadzu UV3600.

Результаты моделирования и обсуждение

Для IM структуры на Рис. 1b планарная структура MgF₂/Ti размещается на подложке MgF₂, а толщина (h_m) слоя Ti составляет 10 нм. Как показано на Рис. 2a, с увеличением толщины диэлектрического слоя наблюдается постепенное увеличение числа резонансных мод в структуре слоев MgF₂/Ti, что хорошо согласуется с уравнением (1). Это указывает на то, что структура слоев MgF₂/Ti на Рис. 1b является резонатором [48]. Одновременно можно обнаружить, что нижняя резонансная мода (соответствующая меньшей толщине диэлектрического слоя) имеет большую полосу пропускания (Δλ_BW). Для MIM структуры на Рис. 1c толщина (h₂) верхнего слоя Ti спроектирована как 10 нм, тогда как нижний Ag бесконечен для блокирования проходящего света. Аналогично видно очевидное резонансное поведение, и нижний порядок резонансного режима имеет большую полосу пропускания (Δλ_BW), как показано на Рис. 2b.

Для получения широкополосного спектра поглощения оба Резонатора 1 и Резонатор 2 работают в основной резонансной моде за счет разумного выбора толщин (h₁ = 105 нм, h₂ = 95 нм) двух диэлектрических (фазового согласования) слоев. Поскольку отражательная способность границы диэлектрик-воздух и диэлектрик-металл относительно низка, основной резонансный режим имеет высокие оптические потери. Рисунок 2c показывает результаты моделирования поглощения (красная сплошная линия) метаповерхности в видимом и ближнем ИК диапазоне 350–1500 нм. Из-за существования двух резонаторов имеются два пика поглощения на более короткой длине волны (около 470 нм) и более длинной (около 790 нм), как показано на Рис. 2c. Эти два резонансных пика слегка отклоняются от резонансных пиков изолированных резонаторов из-за взаимодействия двух резонаторов. Благодаря наложению резонаторов 1D малослойная метаповерхность имеет среднюю эффективность поглощения выше 97% на длинах волн 350–1200 нм. Рабочая полоса пропускания (A > 90%) Δλ_BW = 1000 нм больше, чем у предыдущих солнечных поглотителей на базе IM и MIM структур [1–8].

Для дополнительной проверки физического механизма 1D метаповерхностных поглотителей рассчитываются карты распределения плотности рассеиваемой мощности на двух пиках поглощения, результаты показаны на Рис. 2d. Как ожидалось, падающий свет в основном поглощается в тонком поглощающем (высокопотерьном металле) слое. Более того, для доказательства эффективности и универсальности предлагаемого структурного дизайна мы также моделируем производительность метаповерхностей другими высокопотерьными металлами. Например, результаты моделирования поглощения, пропускания и отражения неблагородных метаповерхностей с использованием других металлов (W, Ni, Cr) изображены в Дополнительном файле 1: Рис. S1. В моделировании материалы первого и третьего слоев — MgF₂. Метаповерхность с использованием W также имеет среднее поглощение выше 97% на длинах волн 350–1000 нм.

Спектры поглощения метаповерхностей с разными толщинами поглощающего слоя рассчитаны и обсуждены на Рис. 3a. Метаповерхностный поглотитель сохраняет среднее поглощение выше 90% на длинах волн 400–1200 нм в широком диапазоне толщины тонкого поглощающего слоя (6 нм < d_m < 16 нм). Результат указывает на то, что высокая поглощающая способность может быть достигнута в широком диапазоне толщины тонкого поглощающего слоя, что благоприятно для удобного производства. Однако предыдущая работа, использующая только один резонатор, требовала высокой точности толщины тонкого поглощающего слоя для критического условия связи для достижения эффективного поглощения.

Угловая и поляризационная зависимости также важны для оценки оптического поглотителя, поэтому мы дополнительно рассчитываем его спектры поглощения под разными углами падения для трансверсально-электрического (TE) и трансверсально-магнитного (TM) режимов, как показано на Рис. 3b, c. Среднее поглощение на длинах волн 350–1000 нм также рассчитано и изображено на Рис. 3d. Четко видно, что среднее поглощение на 350–1000 нм сохраняется выше 90% при угле падения до 65°. Их среднее поглощение незначительно снижается с ростом углов падения и все еще составляет до 80% для углов до 75° под TE и TM поляризованным светом. Для предыдущих малослойных планарных наноструктур на базе одного резонатора средняя эффективность поглощения на 400–1000 нм падала ниже 90% для угла падения больше 40° при TE-поляризации [1–8, 48, 50]. Эти результаты показывают, что эта метаповерхность обладает лучшей производительностью угловой независимости по сравнению с предыдущими малослойными планарными поглотителями [1–8]. Причина в том, что большинство ранее сообщаемых малослойных планарных поглотителей основаны только на одном механизме поглощения. Однако поглощение в нашем поглотителе основано на наложении двух высокопотерьных резонаторов. На основе смоделированных спектров поглощения мы рассчитываем солнечно-термическую конверсионную эффективность η, как следует [52]:

$$\Delta = E_{\alpha} - E_R = \frac{C \times \int d\lambda \alpha(\lambda) E_{\text{solar}}(\lambda) - \int d\lambda \alpha(\lambda) E_B(\lambda)}{C \times \int d\lambda E_{\text{solar}}(\lambda)}$$ (2)

где E_α — общее солнечное поглощение; E_R — потери теплового излучения; E_solar — спектральное солнечное облучение; E_B (λ, T_A) — чертежное излучение при температуре T_A; C — коэффициент концентрации, обычно порядка 1–1000 [52]. Рассчитанные результаты показаны сплошными линиями на Рис. 3e. Поглотитель демонстрирует высокую η_{solar thermal} > 0,9 под TE-поляризованным светом с углом падения θ ≤ 60°, как показано на Рис. 3e. Одновременно поглотитель сохраняет η ≥ 0,9 под TM-поляризованным светом с углом падения θ ≤ 55°, как показано на Рис. 3e. Эта производительность лучше, чем у предыдущих солнечных поглотителей [52]. η с различными углами падения в [52] показана пунктирной линией на Рис. 3e. Для TM поляризации η нашего поглотителя примерно на 20% выше, чем у поглотителя в [52]. Эти результаты раскрывают, что оптическое поглощение нашей метаповерхности не только широкополосное, но и широкоугольное.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Для валидации предлагаемого 1D метаповерхностного поглотителя мы изготавливаем спроектированную метаповерхность только с помощью электронно-лучевого испарителя. Нижний слой Ti (150 нм), промежуточный слой MgF₂ (95 нм), тонкий поглощающий слой Ti (10 нм) и слой MgF₂ (105 нм) осаждаются на стеклянную подложку. Изображение изготовленного поглотителя показано на Рис. 4a, и мы видим, что образец полностью черный. Затем оптические спектры пропускания (T) и отражения (R) метаповерхности измеряются на длинах волн 350–1500 нм с помощью спектрофотометра Shimadzu UV3600 с интегрирующей сферой (ISR-3100). Поглощение (A) затем рассчитывается как A = 1 – R – T. Четко видно широкополосное поглощение с двумя пиками, демонстрирующее хорошее соответствие между результатами моделирования на Рис. 2c и экспериментальными результатами на Рис. 4b. Среднее поглощение экспериментальных результатов выше 97% на длинах волн 350–1200 нм. Полоса пропускания (Δλ_BW) поглощения выше 90% достигает 1030 нм (350–1380 нм), что больше, чем у ранее сообщаемых IM и MIM планарных поглотителей (Δλ_BW = 750 нм [51]) [2–17].

Кроме того, мы также осаждаем структуру метаповерхности на гибкую (PE, полиэтилен) подложку, и Рис. 4c показывает изображение изготовленного гибкого образца, который также черный. Оптические свойства гибкого образца также измерены и показаны на Рис. 4d, получено среднее поглощение выше 95% на 350–1100 нм. Причина небольшой разницы поглощения на более коротких длинах волн между Рис. 4b, d заключается в том, что немного трудно обеспечить высокую точность толщины металла/диэлектрика в процессах осаждения. Как показано на Рис. 4e, мы также измеряем спектры поглощения под разными углами падения с неполяризованным светом. Экспериментальные результаты показывают, что наш поглотитель нечувствителен к углу падения, что согласуется с результатами моделирования. Измеренное среднее поглощение на 350–1000 нм при углах падения 0°–70° также изображено на Рис. 4f. Измеренное среднее поглощение на 350–1000 нм сохраняется выше 90% при угле падения до 65°, что в хорошем согласии с результатом моделирования на Рис. 3d. Обратите внимание, что для сообщаемых малослойных планарных наноструктур на базе одного резонатора средняя эффективность поглощения на 400–1000 нм падает ниже 90% для углов падения больше 40° при TE-поляризации [1–8, 48, 50].

Для дальнейшей оценки потенциала нашей метаповерхности в фототермических приложениях мы также характеризуем ее светово-нагревательные свойства. Используем широкополосный галогенный источник света, а затем записываем повышение температуры образца метаповерхности инфракрасным термометром XINTEST-HT18. Мощность галогенного источника измеряется фотометром XINBAO-SM206 в следующем эксперименте. С Рис. 5a четко видно, что генерируемое тепло высоко локализовано вокруг образца метаповерхности. Гибкая метаповерхность повышает свою поверхностную температуру на 25,1 К от комнатной при галогенном свете P = 1,2 кВт/м². Повышение поверхностной температуры выше, чем у недавних солнечных поглотителей на базе золото-частичной метаповерхности (A = 83%, ΔT_e = 12 °C, P = 2,4 кВт/м²) [54] и золото-никелевой плазмонной метаповерхности (ΔT_e = 8 °C, P = 1 кВт/м²) [55]. Кроме того, Рис. 5b, c показывают последовательности снимков замерзшей капли воды на метаповерхности и стекле. Сначала одна капля воды наносится и замерзает на поверхности метаповерхности и стекла. Затем галогенная лампа (P ≈ 1,2 кВт/м²) освещает поверхность с замерзшей каплей, прилипшей к метаповерхности или стеклу. Для образца метаповерхности капля начинает скользить через 40 с и полностью удаляется примерно за 75 с. В противовес, никаких изменений замерзшей капли не наблюдается для стекла при том же освещении. Обратите внимание, что интенсивность освещения (P = 1,2 кВт/м²) падающего света в нашей работе составляет лишь половину от той (P = 2,4 кВт/м²) в предыдущих исследованиях солнечного антиобледенения на базе золото/TiO₂ частичной метаповерхности [54], что указывает на то, что наша метаповерхность более преимущественна для практических приложений.

Заключение

Подводя итог, предложена эффективная стратегия проектирования для достижения широкополосных поглотителей на базе 1D неблагородных метаповерхностей, состоящих из диэлектрик/металл/диэлектрик/металл слоев. Благодаря наложению двух высокопотерьных резонаторов достигнуто среднее поглощение выше 97% на длинах волн 350–1200 нм. Полоса пропускания поглощения выше 90% достигла 1000 нм (410–1410 нм), что больше, чем у предыдущих планарных MIM поглотителей (≤ 750 нм) [1, 5, 8, 25–27]. Метаповерхность изготавливалась простым методом электронно-лучевого осаждения, обеспечивая возможность крупнотоннажных приложений. Результаты моделирования и эксперимента показали, что широкополосное поглощение наших поглотителей сохранялось выше 90% при угле падения до 65° в диапазоне 350–1000 нм. Для предыдущих малослойных планарных поглотителей средняя эффективность поглощения на 400–1000 нм падала ниже 90% для угла падения больше 40° при TE-поляризации [1–8, 48, 50]. Кроме того, гибкость также была продемонстрирована осаждением метаповерхности на гибкую подложку. Гибкая метаповерхность повысила свою поверхностную температуру на 25,1 К от комнатной под галогенной лампой P = 1,2 кВт/м². Для практических приложений мы исследовали способность гибкой метаповерхности к удалению льда под галогенной лампой P = 1,2 кВт/м². Эта 1D метаповерхность с широкополосным и эффективным поглощением может иметь потенциальные приложения в ледоотталкивании на солнечной энергии.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, сгенерированные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующих авторов по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

BW:

полосы пропускания (bandwidths)

FDTD:

метод конечных разностей во временной области (finite-difference time domain)

IM:

изолятор-металл (insulator–metal)

MIM:

металл-изолятор-металл (metal–insulator–metal)