태양 복사의 효율적인 광대역 흡수는 해수 담수화, 얼음 혐오성 및 기타 재생 에너지 응용 분야에 요구됩니다. 유전체/금속/유전체/금속 층으로 구성된 다층 흡수체의 대역폭을 넓히기 위해 두 개의 고손실 공진을 중첩하는 아이디어를 제안합니다. 시뮬레이션과 실험 모두에서 구조가 350~1200nm 범위의 파장에서 97%보다 높은 평균 흡수 효율을 가짐을 보여줍니다. 90%보다 큰 흡수의 대역폭은 최대 1000nm(410–1410nm)이며, 이는 이전 MIM 평면 흡수체의 대역폭(≤ 750nm)보다 큽니다. 특히 350~1000nm의 평균 흡수는 65°의 높은 입사각에서 90% 이상을 유지하는 반면 75°의 입사각에서도 80% 이상을 유지합니다. 각도 둔감성의 성능은 이전의 수층 태양열 흡수기의 성능보다 훨씬 우수합니다. 유연한 1D nonnoble 메타표면 흡수체는 단일 증발 단계로 제작됩니다. P 할로겐 램프의 조명 아래서 =1.2kW/m
2
, 유연한 메타표면은 표면 온도를 실온에서 25.1K 증가시킵니다. 추가 실험은 열 위치가 축적된 얼음을 빠르게 녹인다는 것을 보여줍니다. 우리의 조도(P =1.2kW/m
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)는 그 절반에 불과합니다(P =2.4kW/m
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) 금/TiO2를 기반으로 한 이전의 태양열 방지 연구에서 입자 메타표면은 우리의 메타표면이 실제 적용에 더 유리하다는 것을 나타냅니다. 우리의 결과는 기계적 유연성, 비귀금속의 저렴한 비용 및 대면적 제작이라는 매력적인 특성을 가진 광대역 메타표면 흡수체를 향한 효과적인 경로를 보여주며, 이는 태양열 활용 응용 분야에서 유망한 전망을 가지고 있습니다.
소개
높고 넓은 흡수를 갖는 광 흡수체는 열 태양광 [10,11,12 ,13,14,15], 증기 발생 [16,17] 및 광검출 [18]. 최근 몇 년 동안, 조밀하게 패킹된 나노와이어[19], 나노튜브[15], 나노튜브[19], 나노튜브[15], 나노와이어[19], 나노튜브[15], 나노와이어[15], 테이퍼 홈 [20,21,22] 및 피라미드 디자인 [23, 24]. 2D 어레이[25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]에 기반한 이러한 흡수체의 성능 향상에 엄청난 노력이 있지만 대부분의 이러한 나노구조의 제조 복잡성은 , 전자빔 리소그래피(EBL)[20], 집속 이온빔(FIB) 밀링[23], 나노임프린트 리소그래피[22] 또는 리소그래피 기술[24]을 필요로 하므로 더 이상의 업스케일링을 방해합니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 리소그래피가 없는 평면 설계 개념을 기반으로 하는 1D 메타표면이 최근 집중적인 연구 주제가 되고 있다[1, 5, 8, 25, 26, 27]. 최근 과학자들은 단일 귀금속 층, 절연체-금속(IM) 및 금속-절연체-금속(MIM) 구조와 같은 일부 소수층 구성의 흡수 능력을 입증했습니다[1, 8, 25,26,27, 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48] 흡수열의 국부적 축적에 유리합니다. 첫째, 귀금속(예:Au 및 Ag)을 기반으로 하는 단순한 평면 구성의 경우 흡수 대역폭(A> 90%)는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP) 효과 메커니즘에 의해서만 흡수가 발생하기 때문에 500nm보다 작습니다[1,2,3,4,5,6,7,8]. SPP 효과를 기반으로 하는 이러한 흡수체 역시 모멘텀 매칭 조건[1,2,3,4,5,6,7,8]으로 인해 본질적으로 각도 의존적 특성을 보입니다. 또한 IM 또는 MIM 평면 구성을 기반으로 하는 귀금속을 사용하는 일부 흡수체도 Fabry-Perot(FP) 공명을 사용하여 제안 및 시연되었습니다. 그러나 이러한 평면형 흡수체(예:Ge/Au [48] 및 Ag/Si/Ag [49])의 경우 흡수 대역폭(A> 80%)는 단 하나의 FP 공진만을 사용하기 때문에 일반적으로 300nm 미만입니다. 한편, 상술한 대부분의 흡수체에서 귀금속의 재료비는 고가이다[1,2,3,4,5,6,7,8,48,50]. 최근 여러 그룹에서 MIM 평면 나노구조를 기반으로 한 비귀금속(Mo 또는 Gr과 같은)을 사용하여 광흡수체를 시연했습니다[50, 51]. Mo/Al2 O3 단일 Febry-Perot(FP) 공명을 기반으로 하는 /Mo 흡수체는 400~900nm에서 90% 이상의 흡수를 나타냈습니다[50]. Cr/Al2 O3 하나의 FP 공명에 기반한 /Cr 흡수체는 400~1150nm에서 90% 이상의 흡수를 나타냈습니다[51]. 보고된 대부분의 수층 평면 흡수기의 경우 대역폭 ∆λ흑백 가시-근적외선 파장에서 (A> 90%)는 750nm보다 작습니다. 한편, 하나의 FP 공명을 기반으로 하는 이러한 MIM 평면 나노구조의 경우 400~1000nm 파장에서 평균 흡수 효율은 TE 편광 입사에서 40°보다 큰 입사각에 대해 90% 아래로 떨어질 것입니다. 이러한 각도 의존적 스펙트럼 특성은 흡수체를 실제 사용에 적용하기 어렵게 만드는 중대한 결점이다. 따라서 전방향성, 광대역 및 효율적인 흡수를 달성하기 위해 소수층의 비고귀한 1D 메타표면을 설계하고 실현하는 것은 어렵지만 실제 응용에 필요합니다.
여기에서 우리는 대역폭(∆λ흑백 ) 흡수체. 소수층의 non-noble 1D 메타표면은 두꺼운 금속막 위의 유전체/금속/유전체 박막으로 2개의 고손실 공진기로 구성됩니다. 두 개의 고손실 공진기가 중첩되어 있기 때문에 제안된 메타표면의 평균 흡수 효율은 400~1200nm 파장에서 97% 이상입니다. 흡수 대역폭(A> 90%)는 최대 1000nm(410–1410nm)이며, 이는 그보다 큽니다(∆λ흑백 =750 nm[51]) 이전 MIM 평면 흡수기[1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. 또한 최대 0~65°의 광범위한 입사각에 대한 평균 흡수는 모두 350~1000nm 범위의 파장에서 90%를 초과합니다. 이는 400–1000nm 파장에서 평균 흡수 효율이 높은 이전 MIM 평면 흡수체[1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]에 비해 당사의 흡수체가 실제 적용에 더 유리합니다. TE 편광 입사에서 40°보다 큰 입사각에 대해 90% 아래로 떨어질 것입니다. 메타 표면은 유연한 PET 기판뿐만 아니라 유리 기판에 전자빔 증착의 단일 단계로 제작됩니다. non-noble 메타표면의 측정된 흡수 스펙트럼은 시뮬레이션 결과와 잘 일치합니다. 초박형 흡수층(두께 =10 nm)의 효율적인 광 흡수 및 광열 에너지 변환으로 인해 비귀금속 메타표면은 할로겐 광원(피 =1.2kW/m
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). 증가된 온도(ΔTe =25.1 K)는 최근 보고된 금 입자 메타표면(ΔTe =12 °C 아래 P)보다 더 높습니다. =2.4kW/m
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) [48] 및 금/니켈 플라즈몬 메타표면(ΔTe =8 °C에서 P =1.2kW/m
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) [49]. 실제 적용을 위해 메타표면이 할로겐 광원 아래에서 얼음을 제거할 수 있음을 보여줍니다(P =1.2kW/m
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). 이는 금/TiO2 기반의 이전 태양열 방빙 작업에 비해 더 효율적입니다. P가 있는 할로겐 광원을 사용하는 입자 메타표면 =2.4kW/m
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[48]. 리소그래피가 필요 없는 1D 수층 메타표면의 제작은 확장이 용이하여 실제 광열 응용 분야에서 광범위하게 사용할 수 있습니다.
디자인 및 방법
설계된 1D 다층 메타표면은 그림 1a와 같이 두꺼운 금속막 위에 절연체/금속(고손실)/절연체 박막으로 구성됩니다. 상단 3개의 얇은 층의 두께는 h입니다. 1 , hm , 그리고, h2 , 각각. 조명광은 IM 평면 나노구조의 유전체-공기 계면과 유전체-금속 계면에서 앞뒤로 반사되어 그림 1b(공진기 1)와 같이 공진기를 구성할 수 있습니다[48]. Resonator 1의 길이는 h입니다. 1 . 마찬가지로 금속(고손실)/절연체/금속(고손실) 평면 나노구조체도 공진기[49,50,51](그림 1c에서 Resonator 2로 표시)이고 Resonator 2의 길이는 다음과 같습니다. 2 . 두 공진기의 공진 조건은
여기에서 λres 공명 파장이다. n나 그리고 t나 는 각각 절연층의 굴절률과 두께입니다. 나 공진 모드의 순서를 결정하는 정수입니다. Φb 및 Φt 두 반사에서 얻은 위상 변이입니다. 식을 기반으로 합니다. (1) t 증가 나 , 공진 파장 λres 적색 편이 됩니다. 게다가 두께가 증가함에 따라(t나 ) 절연체 층의 공진 모드 수가 증가합니다. 흡수를 증가시키고 작동 대역폭을 넓히기 위해(∆λ흑백 ) 공진기의 경우 상단 및 하단 금속층 모두에 고손실 금속 재료가 사용됩니다. 우리 모두 알다시피 자연에는 Ti, W 및 Ni와 같은 많은 고손실 물질이 있습니다. 이러한 재료는 저렴합니다. 여기서 Ti는 고손실 금속(2층 및 4층)으로 선택된다. MgF2 레이어는 첫 번째 및 세 번째 레이어로 선택됩니다. SiO2와 같은 기타 유사한 유전체 , TiO2 , 폴리머도 유전층으로 사용할 수 있습니다.
그림 1a의 구조에 2개의 공진기가 있음을 증명하기 위해 그림 1b, c의 IM 및 MIM 평면 구조의 흡수 스펙트럼을 각각 시뮬레이션하고 묘사했습니다. 메타표면의 흡수는 A 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다. =1 − R − T . 제안된 구조를 시뮬레이션하기 위해 2차원 FDTD(finite-difference time-domain) 방법을 수행하였다. 수직 입사광은 x 방향을 따른 편광과 함께 음의 z 방향을 따라 입사합니다. 메쉬 크기는 1nm로 설정됩니다. 주기적인 경계 조건은 x 및 y 방향으로 적용됩니다. PML(Perfectly Matched Layers)은 모델의 상단 및 하단 경계에서 구현됩니다. 유전체 및 금속 재료의 유전율 값은 [53]의 실험 데이터를 사용합니다. 실험에서 설계된 메타표면은 E-빔 증발기를 사용하여 제작된다. 메타표면의 광투과(T) 및 반사(R) 스펙트럼은 Shimadzu UV3600 분광광도계로 측정됩니다.
시뮬레이션 결과 및 토론
그림 1b의 IM 구조의 경우 MgF2 /Ti 평면 구조는 MgF2에 배치됩니다. 기판 및 두께(hm ) Ti 층의 10nm입니다. 그림 2a와 같이 유전체층의 두께가 증가함에 따라 MgF2에서 공진모드의 수를 관찰할 수 있다. /Ti 층 구조가 점차 증가하여 식과 잘 일치합니다. (1). 이것은 MgF2 그림 1b의 /Ti 레이어 구조는 입니다. 공진기[48]. 한편, 더 낮은 공진 모드(유전체 층의 더 얇은 두께에 해당)가 더 큰 대역폭(∆λ흑백 ). 그림 1c의 MIM 구조의 경우 두께(h2 ) 상단 Ti 레이어는 10nm로 설계되었지만 하단 Ag는 투과광을 차단하기 위해 무한대입니다. 유사하게, 우리는 명백한 공진 거동을 볼 수 있으며, 저차 공진 모드는 더 큰 대역폭(∆λ흑백 ), 그림 2b와 같이