Ontwerp van gesplitste zeshoekige patch-array-vormige nano-metaabsorber met ultrabreedbandabsorptie voor zichtbare en UV-spectrumtoepassing

Inleiding

Materiaaltechnologie heeft vanaf de oudheid bijgedragen aan de menselijke ontwikkelingsgeschiedenis en 'metamateriaal' zal binnenkort een van de essentiële stuurdoorbraken zijn. 'Meta', dat een verandering in het materiaalgenre aanduidt, vertoont unieke diëlektrische eigenschappen zoals negatieve permittiviteit en permeabiliteit, gemakkelijk te fabriceren [1]. Verschillende toepassingsmogelijkheden [2, 3] in metamateriaal maken verschillende onderzoekers over de hele wereld nieuwsgieriger naar benchmarkinnovatie in hun respectievelijke onderzoeksgebieden. Het omzetten van fotonische energie uit het zichtbare frequentiebereik en het opnemen ervan in het oogsten van energie, met name op zonnecellen gebaseerd energieonderzoek, is een van de veelbelovende gebieden in metamateriaalabsorptie [4,5,6]. Zichtbaar spectrum of UV-bereik lichtgolven omringden ons altijd zonder ernstige problemen en een overvloedige hoeveelheid energie. Van alle gevestigde gebruikstechnieken worden fotovoltaïsche (PV)-technologieën op grote schaal toegepast voor veldtoepassingen, en in de afgelopen jaren is de ultramoderne methode voorgesteld om de prestaties te verbeteren om de balans te vinden in toekomstige uitdagingen op het gebied van groene energie . Bijvoorbeeld enkele, multikristallijne en polykristallijne cellen voor efficiëntieverbetering, PV-ontwikkeling met behulp van metaalhalogenide-perovskieten, organische en kwantumdot-PV voor verbetering van de efficiëntie van stroomconversie, opto-elektronische kwaliteit van PV-relevante materialen die het uitgangsvermogen beïnvloeden [7] en zo Aan. Verder zijn materiaalfabricagemethoden zoals sequentiële afzetting van hoogwaardige PV-perovskietlaag [8], gecoate en geprinte PV-perovskieten [9], fotonenrecycling [10] of algoritme gebaseerd op zwaartepuntanalogie bij maximaal vermogen [11], enz. gericht op het verbeteren van de efficiëntie van de zonnecel.

Daarnaast is ook een potentieel gebied van zonne-energiewinning onderzocht met behulp van een combinatie van antenne en gelijkrichter (diode), bekend als 'rectenna', om de efficiëntie van een typische PV-cel te verbeteren. Rectenna's zijn voornamelijk bestudeerd voor krachtoverbrenging op basis van microgolven, omdat het zeer efficiënt is in het omzetten van microgolfenergie in elektriciteit. Bijvoorbeeld, een prototype gepatenteerd [12] met behulp van nanotechnologie gericht op het omzetten van licht in elektriciteit met verbeterde efficiëntie en momenteel compatibel met de traditionele zonnecel. De experimentele procedure laat zien dat de rectenna die onder een PV-module is geplaatst een output gaf van 380 tot 480 W/m ² met een gecombineerde module verhoogd van 10–20% naar 38–40%. Vanwege de beperking van de nanofabricagetechniek werkt het grootste deel van het prototype in het verre-infraroodbereik in plaats van in het zichtbare spectrum. Verwacht mag worden dat de ontwikkeling van nanotechnologie deze aanpak verder kan versnellen. Zo hebben recente artikelen een diverse strategie aangenomen om zonne-energie te oogsten, zoals de hybridisatie van RF-zonne-energie door de transparante multipoort-antenne [13] die 72,4% efficiëntie behaalde met 53,2% RF-naar-DC conversie-efficiëntie. Evolutieve dipool nanoantenne (EDN) [14] vervaardigd door e-beam lithografie gewijd aan efficiëntie-optimalisatie voor oogsten waarbij de efficiëntie steeg van 30% tot 40% in vergelijking met klassieke dipool nanoantenna (CDN). Metaal-isolator-metaal (MIM) geïntegreerd met SiO₂ tunnel [15] een conversie-efficiëntie van meer dan 90% laat zien, stelden Zhang en Yi [16] een vergelijkbare benadering voor met behulp van vlinderdasvormige nano-rectenna die een conversie-efficiëntie van 73,38% claimden. Evenzo toonde metamateriaal geïnspireerde rectenna met ingebedde Schottky-diode-gebaseerde 'Fabry-Perot (FP)'-resonator [17] een hoge Q-factor en 16 keer prestatieverbetering, optische rectenna geïnspireerd door metamateriaal en ontwikkeld door semi-klassiek model stelt hoge efficiëntie, goedkope zonnecel [18]. Niet alleen dat, er werden verschillende variaties in metamateriaalkenmerken onderzocht, zoals schakelbaar metamateriaal met bifunctionaliteit van absorptie [19], op vanadiumdioxide gebaseerd dun meta-oppervlak, op germanium geïnspireerd meta-oppervlak voor afstembare detectie [20]. Afgezien van het conventionele idee van het oogsten van energie, is het grootste deel van de metamateriaalabsorbeerder of antenne ontwikkeld voor het oogsten van RF-energie in plaats van het zichtbare spectrum. Energiewinning in deze artikelen [21, 22] kan niet bijdragen aan de zonnecel.

Recent onderzoek in THz-bereik rectenna of metamateriaal absorber geïnspireerde nano-rectenna nog steeds onder laboratoriumexperiment of analyse vanwege verschillende beperkingen zoals impedantie-aanpassing, integratie tussen eenheidscel en PV-cel, toevoer van geconverteerde energie van de eenheidscel naar PV-eenheid, fotonconversie-efficiëntie , transportverliezen, enz. Bovendien zullen PV-cellen waarschijnlijk de prestaties verminderen met omgevingsparameters en een smalle absorptieband in het zichtbare spectrum. Desalniettemin wordt de antenne of absorber op nanoschaal onderzocht door geavanceerde ontwerp- en fabricagetechnieken toe te passen, zoals een omnidirectionele structuur plasmonische absorber [23] met een oogstefficiëntie van ongeveer 38%, een flexibele substraat-nantenna-elektromagnetische collector (NEC) [24] vertoont 90% absorptie door het overwinnen van optische gedrag van materialen en fabricagebeperkingen. Unieke optische en elektrische eigenschappen van nanoschaalstructuur [25,26,27,28,29] onthullen een verscheidenheid aan absorptiepercentages met dynamische materiaalkenmerken. Hoewel het grootste deel van de gerapporteerde geavanceerde structuur nog uitdagend is om toe te passen bij het opruimen van zonne-energie, wordt een metamateriaalabsorbeerder gebruikt voor de beoogde toepassing op experimentele basis [30, 31]. Met de antenne die de invallende EM-golf omzet in een wisselstroomsignaal, kan de diode deze gelijkrichten naar de bruikbare gelijkspanning. Meer dan 90% van de conversie-efficiëntie kan worden verkregen in de radiofrequenties. Het is echter enorm moeilijk om de rectenna uit te breiden naar het optische regime vanwege het gecompliceerde proces en de veel te trage respons van de op diodes gebaseerde rectificatie. Een zelden opgemerkt werk aan een directe foto-elektrische conversie zonder diode, bekend als dynamisch Hall-effect (DHE), werd in 1954 gerapporteerd door H. Barlow. Er werd voorgesteld om gelijkspanning te produceren via de gezamenlijke werking van dynamische elektrische en magnetische velden van de schuine invallende straling. Dit effect wordt theoretisch vertoond door alle geleidende materialen en is van toepassing op hele EM-spectra van microgolf tot zichtbare frequenties met een snelle respons [32]. Dus een potentieel gebied van efficiëntieverbetering van zonne-energieoogstsystemen met behulp van metamateriaal om alle beschikbare technieken nog te verkennen, analyseren en opnieuw te implementeren om de typische zonnecelefficiëntie op toepassingsniveau te versnellen.

In dit artikel presenteren we een SHPA-metamateriaalabsorbeerder op tri-nanolaagmateriaal met DNG-kenmerken gesimuleerd op zowel zichtbaar als UV-regime voor het oogsten van zonne-energie. Finite-difference time-domain (FDTD) analytische methode gevolgd om vorming, analyse en commercieel verkrijgbare CST Microwave Studio (MWS) 2017 te structureren die voor simulatie wordt gebruikt. Daarom werden standaard randvoorwaarden toegepast voor golfvoortplantingsanalyse, evenals TE, TM-vlakpolarisatie die ook werd gemodelleerd voor groothoekabsorptie. Voor structuurgeoptimaliseerde metamateriaalabsorbeerders met nanobereik zijn genetische algoritmen (GA's) met succes toegepast in veel verschillende ontwerpen om een ​​positief resultaat te verkrijgen [33, 34]. Daarom nam de voorgestelde absorber een soortgelijk algoritme [33] aan om de kenmerken van het negatieve indexmateriaal (NIM) te vinden. Figuur 1c illustreert GA-geoptimaliseerd eenheidscelontwerpdomein waar nano-gesplitste Hexa-vorm en verdeeld 10 × 7-raster. Binnen het raster geeft een onderverdeeld raster van 3 × 3 een zeshoekige vorm weer. Het eigenlijke mechanisme is interpolatie van gegevens om de verbeterde absorptie variërende geometrische dimensie te krijgen met behoud van de vorm van de nanostructuur. Het doel van deze GA is om SHPA-metamateriaal te extraheren voor zichtbare frequentie met maximaal mogelijke NIM-kenmerken. Verstrooiingsparameter geëvalueerd tijdens simulatie ging naar MATLAB-programma om karakterisering en relevante eigenschapsanalyse te extraheren. Numeriek onderzoek toont meer dan 95% absorptie in beide frequentieregimes met significante linkshandige metamateriaalkenmerken. Dus de voorgestelde SHPA met verdere gefabriceerde validatie kan zijn potentiële toepassingsgebied bewijzen, zoals het oogsten van zonne-energie, het fotonenaccumulatieproces voor een zonnecel of fotonische versterking.

SHPA nano-meta-absorber. een Fysieke dimensie. b Simulatie opgezet. c GA-geoptimaliseerde coderingsillustratie

Computationeel ontwerp en methodologie

SHPA-metamateriaalabsorbeerder werd gemodelleerd als een dubbellaags substraat, galliumarsenide (GaAs) en nikkel (optisch), en een patchlaag ontworpen op goud (Au). Een 80 nm dik GaAs met lossy permittiviteit van 12,94 en 100 nm dik Ni (figuur 1a). Tabel 1 toont de detaildimensie van de eenheidscelstructuur. De dikte van de SHPA-patch is 90 nm en de Au-film is verwaarloosbaar voor een gelokaliseerd magnetisch veld, isotrope geleidbaarheid van 4,1 × 10 ⁷ S/m [35]. Volgens 'anisotrope Drude conductivity tensor' [36] wordt alleen de Z-component van het lokale magnetische veld in aanmerking genomen. Omdat een orthogonale component van de andere twee assen veel zwakker is dan de Z-component. Tijdens simulatie periodieke randvoorwaarde in X- en Y-richting die respectievelijk PEC (perfecte elektrische geleider) en PMC (perfecte magnetische geleider) op de bovenste en onderste laag toepassen (figuur 1b). Anisotrope geleidbaarheid op eenheidscellen werd verzekerd door een gelokaliseerd magnetisch veld op te nemen. De S-parameters van SHPA werden gesimuleerd, variërend van 430 THz tot 1000 THz met de stapgrootte van 100 THz. Het bereik van reflectie (R), transmissie (T) en absorptie (A) verkregen door A =1-T-R waarbij |S ₁₁ | ² =R en |S ₂₁ | ² =T. Vlakke golf van elektrisch veld gedefinieerd doorE = E _x Cos(ωt + kz ) zich voortplantend naar de Z-as waar E _x is de amplitude van het elektrische veld, ω is de hoekfrequentie, t is tijd, en k is golfnummer.

Geometrische structuurontwikkeling voor metamateriaal voorgesteld door Pendry [37] algemeen toepasbaar voor microgolfbereik, maar THz-regime, d.w.z. zichtbare en optische frequentie vertoont grote nadelen in negatieve permeabiliteit en parallelle voortplanting van meerlagig substraat. Dus een alternatieve ontwerpbenadering [38] metaal-diëlektrisch-metaal illustreert een goede respons als een resonante magnetische dipool voor normale voortplanting naar de structuur die negatieve permeabiliteit aantoont en een vereenvoudigde laagstructuur relatief eenvoudig te fabriceren is op nanoschaal. Bovendien vereist het ontwerpen van een metamateriaalabsorbeerder met DNG-eigenschappen in driedimensionaal verschillende kenmerken van de structuur, zoals achterwaartse voortplanting, omgekeerd Doppler-effect, verdwijnende golfversterking, enz. Hoewel theoretische analyse en mogelijkheden met betrekking tot het zichtbare frequentiespectrum al door de experts zijn beschreven [39] ,40,41]. De op dunne-film nanostructuur op DNG-kenmerken gebaseerde MA houdt zich dus bezig met negatieve ε en μ en gewoonlijk gebruikt als een periodieke dunne metalen reeks. Dunne metalen patch-array verdunt vrij-elektronenplasma beschreven door het 'Drude'-model, maar omdat we de bovenste laag daarom als verliesgevend hebben beschouwd

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

waar ω _p de verminderde plasmafrequentie hangt af van de geometrische afmeting van een dunne laag, ω _m is magnetische resonantiefrequentie, γ _m verliezen, M _m bepaalt de sterkte van de magnetische resonantie.

Resultaten, analyse en discussie

Eenheid celvermogen en diëlektrische eigenschappen

Volgens de foto-kwantummethode vereist een bepaalde hoeveelheid stroom aan de randvoorwaarde van de eenheidscel, vooral in de voortplantingsrichting, polarisatiehoek, E-veld- en H-veldstroom, enz. Laten we dus de vermogen dat nodig is om zich in een multikristallijne richting voort te planten [42]. De vergelijkingen (2) en (3) zijn gebaseerd op een complexe vectorstelling van Poynting geïnspireerd door [42, 43]. Het feit is dat de stroom die door de eenheidscel wordt ontvangen zonlicht zou zijn, wat omnidirectioneel is, en de stroom die de absorber gebruikt, moet in een richting gaan om de efficiëntie te verbeteren. Het vermogen van de zich voortplantende golf is dus net evenredig met het reële deel van de vector gerelateerd aan de tijdsgemiddelde parameter. Gestimuleerd vermogen op een of beide poorten zal zich door de eenheidscel voortplanten. De rest van de energie zal via alle poorten vertrekken (uitgaande stroom). Geaccepteerd vermogen in de eenheidscel wordt omgezet in verliezen zoals diëlektrische materiaaleigenschappen, patches of samengevoegde elementen die worden overwogen voor SHPA-nanoarmen. Gezien het reële deel van het complexe gemiddelde vermogen in Z -richting

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

Wat ook geldt voor (Z_-ve richting) om de netto energiestroom in een specifieke haven te beschrijven. De ½-factor in Vgl. (2) is gerelateerd aan tijdmiddeling van het veld met de klok mee. Het denkbeeldige deel van het vermogen kan worden genegeerd vanwege niet-propagerende reactieve of opgeslagen energie en kan het uitgezonden vermogen berekenen (P_T ) observeren van de gemiddelde tijdsduur langs X en J respectievelijk as-

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

Evenzo werd geaccepteerd en uitgaand vermogen berekend met behulp van de vergelijking in [43] en uitgezet in Fig. 2, waar geassocieerd vermogen (Fig. 2a) en vermogen door de eenheidscel (Fig. 2b) nano-metaabsorber waargenomen tijdens de simulatie. Gestimuleerd vermogen beperkt tot 0,5 watt in het hele spectrum, terwijl geaccepteerd en uitgaand vermogen in beide poorten vice versa stroomverdeling heeft. 3D-vermogensstroom vertoont echter ongebruikelijke kenmerken vanwege de traagheid van het dipoolmoment met het werkfrequentiebereik en de niet-homogene materiaalpenetratietoestand. Vanaf 430 THz is het grootste deel van het dipoolmoment niet georganiseerd, aangezien THz-werking in de beginfase een polarisatie-effect heeft en gestaag een goed dipooleffect heeft na 715 THz, dat doorging tot 1000 THz. Bovendien zijn de halfgeleidereigenschappen van GaAs-materiaal, evenals de ferromagnetische eigenschappen van Ni, verantwoordelijk voor het afschrikken van de

Stroomverdeling in SHPA-metaabsorber (a ) 2D-distributie (b ) 3D-stroom door de eenheidscel

krachtstroom maar gelukkig niet zo overheersend. Diëlektrische eigenschappen (ε , μ , η ) geëxtraheerd uit de S-parameter voor het numerieke onderzoek om de eigenschappen van metamateriaal te beoordelen. De eenheidscelabsorbeerder met drie verschillende materialen heeft geïsoleerde kenmerken in EM-golfvoortplanting, maar deze unieke structurele dimensie met gecascadeerde capaciteit en inductantie op de bovenste vlakken wijzigen de conventionele eigenschappen van individuele diëlektrische eigenschappen van het materiaal en geven unieke eigenschappen weer. Nu, het extraheren van de diëlektrische eigenschappen die de DRI-methode [44] gebruikt, waarbij de transmissiecoëfficiënt (S₂₁ ) en reflectiecoëfficiënt (S₁₁ ) was de kritische parameter.

Figuur 3 toont alle gesimuleerde resultaten van de voorgestelde SHPA nano-metaabsorber. Figuur 3a,b magnitude van S₁₁ en S₂₁ heeft een bijna constante grootte, zowel in het reële als in het imaginaire deel. Hoewel de infraroodbereikrespons drie opeenvolgende kleine resonantiepunten heeft vanwege het huiddiepte-effect (δ) van de structuur, speelt het gelukkig een positieve rol bij het verkrijgen van de negatieve permittiviteit, permeabiliteit en brekingsindex. Figuur 3c, d, e toont respectievelijk de reële en denkbeeldige waarde van deze eigenschappen en zorgt voor het bestaan ​​van metamateriaal op de voorgestelde SHPA. Bovendien moet rekening worden gehouden met intense thermische elektromagnetische verdwijnende velden [45] vanwege het toepassingsperspectief van het oogsten van zonne-energie. Experimenteel vermeld in [45, 46] dat, tijdens nabije-veldstraling, twee opeenvolgende materiële warmtegeleiding geleidelijk toeneemt. Bovendien domineren oppervlaktepolaritonen ook de verdwijnende golven en volgens het 'Drude-model' worden complexe permittiviteit en permeabiliteit bepaald door golfpolarisaties in de eenheidscel. Figuur 3 c, d, e geeft diëlektrische eigenschappen weer waarbij de werking van de permittiviteit en permeabiliteit bij lagere golflengten wordt beïnvloed door deze verdwijnende golf. Vandaar dat de negatieve eigenschappen van de voorgestelde eenheidscel duidelijk zichtbaar zijn en zorgen voor een goede EM-absorptie. Transmissielijnkarakteristieken en VSWR (voltage staande golfverhouding) van de SHPA nano-absorber in Fig. 4 laten duidelijk de hoeveelheid reflectie zien

SHPA metamateriaal kenmerken. een S₁₁ Antwoord. b S₂₁ Antwoord. c permittiviteit. d permeabiliteit. e Brekingsindex over zichtbaar en infrarood spectrum

Smith-diagram toont VSWR van eenheidscel SHPA over het spectrum bij een genormaliseerde impedantie

en transmissielijnprestaties. VSWR bij 430 THz-impedantie was hoog en de halve golflengte van de lijn heeft geen goede afstemming van bron- naar laadzijde. Vandaar dat de hoeveelheid EM-signaalabsorptie ook laag is bij een lagere frequentie, maar geleidelijk probeerde de impedantie zoveel mogelijk overeen te komen (met genormaliseerde), resulterend met een absorptie van meer dan 90% in het infraroodspectrum (1000 THz). Aangezien de eenheidscel een absorberend element vertegenwoordigt in plaats van een uitstralend element; daarom heeft zijn VSWR aan de belastingszijde geen hogere waarde.

Veldeffectanalyse

EM-aard van licht is een transversale elektromagnetische golf in de zichtbare gebieden. Het licht dat van de zon komt, is verdeeld in drie spectra:infrarood, zichtbaar en ultraviolet (UV). Spectrale energieverdeling van zonnelicht heeft een maximale intensiteit van 1,5 eV bij een zichtbaar bereik dat vergelijkbaar is met het meeste halfgeleidermateriaal, terwijl twee andere spectra warmte produceren als ze worden geabsorbeerd. Dus, rekening houdend met typisch zichtbaar licht EM-voortplanting en randvoorwaarden vermeld in figuur 1b, worden de numerieke prestaties van het elektrische veld (E-veld) en magnetische veld (H-veld) getoond in figuur 4. Hoewel de kenmerken van de resonantiefrequentie 445 THz aanwezig zijn in het cijfer maar de hele bandbreedte 430~650 THz heeft een vergelijkbare verdeling van het veld. Nu, vectorgolfvergelijkingen zoals vermeld in [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)

waar de eendimensionale vector differentiaaloperator∇licht varieert met fasevariatie tijdens EM-golfvoortplanting, elektrische en magnetische veldcomponenten zijnE _m en H _m respectievelijk, voortplantingsconstante \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \)is een complexe grootheid gerelateerd aan verzwakking en faseafwijking van de golf. Aangezien de golf van zichtbaar licht zowel golf- als deeltjeseigenschappen heeft, vertoont golfvoortplanting door het materiaal van de eenheidscel variatie in termen van E-veld- en H-veldkenmerken. Verder, γ hebben een niet-lineaire relatie met diëlektrische eigenschappen naarmate de werkfrequentie geleidelijk toeneemt. Afbeelding 5 toont elke nano-splitsing op SHPA significante E-veldcomponent (2,31 × 10 ⁶ V/m in logschaal) bestaan ​​bij resonantie 550 THz. Hoewel over het gesimuleerde frequentiegebied (zichtbaar en UV), werd dit sterke E-veld waargenomen met een kleine variatie in amplitude. Horizontale en verticale patchbalk (met vier splitsingen) dragen ook bij aan een veldcomponent met amplitudevariatie (2,08 × 10 ⁵ ~2,31 × 10 ⁶ V/m logschaal). Tijdens een tijdelijke analyse van de SHPA-eenheidscel (cascade in twee fasen) gezien de capaciteit en inductantiewaarde van 1,37 × 10 ⁻¹⁷ nF en 3,87 × 10 ⁻¹⁴ nH versnelt de werking van het resonantiefrequentieveld. H-veld (Fig. 5b) heeft een soortgelijk effect van EM-voortplanting langs de Z-richting, en tijdens inhomogene mediumpenetratie, Vgl. (5) wordt functies van Z en waarin de magnetische permeabiliteit constant is. Vervolgens wordt de bijbehorende golfvergelijking gereduceerd tot een “Ricatti differentiaalvergelijking” [48]

$$ \frac{d\psi (z)}{dz}+{\psi}^2(z)=-{k}^2{m}^2(z) $$ (5)

Veldeffect op SHPA bij resonantie 550 THz. een E-veld. b H-veld

waar k is golfnummer, en m(z) is een complexe brekingsindex. Bovendien neemt de fasevertraging van de golf toe met de verhouding van de fasesnelheid in de vrije ruimte en het medium, wat een andere belangrijke bijdrage is van de voorgestelde eenheidscel SHPA voor een lagere reflectie en meer energie van de golf absorbeert.

Polarisatie van lichtgolven bestudeerd op voorgestelde eenheidscel SHPA om de haalbaarheid van eenheidscellen voor het oogsten van zonne-energie te verklaren, aangezien de gepolariseerde golf door het oppervlak zijn energie verliest tijdens voortplanting. Hamiltoniaanse formulering [49] vermeldde dat overgangsdipoolmatrixelementen variëren voor TE- en TM-polarisatie in de verschillende invalshoeken van de golf op GaAs-materiaal. De polarisatiehoek voor zowel de TE- als de TM-modus vergroot de stapgrootte van 40 ° (Fig. 6) en de polarisatiehoek van het elektrische veld heeft een verrassend dominerend effect in vergelijking met de oriëntatie van het magnetische veld. Tijdens TE-modus, bij een lager bereik, ongeveer 430-650 THz (690 nm tot 460 nm) [50], voor een bepaald verschil in Ni-GaAs-substraatcombinatie, zorgt het verschil tussen kern- en bekledingslagen voor een variërende brekingsindex die toeneemt wanneer de zichtbare golflengte de bandgap nadert. Vandaar dat de fluctuatie van de absorptiehoeveelheid waargenomen op dat spectrum (Fig. 6a), terwijl TM-polarisatie een vergelijkbaar type fluctuatie vertoont ondanks polarisatiehoekveranderingen van 0 ° tot 120 °. In de TM-modus wordt de fase-mismatch over het algemeen groot voor langere golflengten. Bovendien heeft de zeshoekige vorm een ​​significant effect op de absorptie tijdens variatie van de gespleten opening en hoogte van de patch. De capaciteit gevormd door de gesplitste spleetpatch varieert, terwijl de aangrenzende capaciteit door de positie van de patch stand houdt. Figuur 6c split gap verandering van 5 nm naar 25 nm en het verlagen van de split gap geeft een uitstekende absorptie vanwege de aanzienlijke capaciteit. Ondanks de verandering van de spleet blijft de absorptie bijna boven de 90% voor 5 nm, en de geleidelijke toename van de split gap zorgt voor een aanvankelijke absorptiedaling rond 430-500 THz, maar de algehele absorptie van 95% waargenomen tijdens de simulatie. In termen van SHPA-hoogte (Fig. 6d), aangezien de patch-splitsing 10 nm blijft, neemt het voortplantingsgebied van het EM-signaal collectief toe voor zowel normale als schuine inval en dus splitshoogte geoptimaliseerd met hogere waarde met absorptie. Voor SHPA-hoogte of -dikte 60 nm tot 90 nm gemiddelde absorptie 85% tot 88%, wat direct aangeeft dat het geoptimaliseerd is voor 90 nm.

Polarisatie-effect op absorptie. een TE polarisatie. b TM-polarisatie en SHPA-structuureffect. c Split gap vs. absorptie. d Hoogte vs. absorptie

Een gefabriceerd prototype en meetresultaten van SHPA zouden echter gesimuleerde gegevens ondersteunen, die in de volgende fase van het onderzoek zullen worden uitgevoerd. Trouwens, een vergelijkend beeld beschreven in Tabel 2 om de bijdrage van de voorgestelde nano-metaabsorber te begrijpen. In tabel 2 laat het gerapporteerde artikel [51] een goede efficiëntie zien, maar de werkfrequentie en smalbandprestaties maken het niet in staat om te voldoen aan de zichtbare frequentiewerking. Een ander artikel [52, 53] beweerde voor toepassingen voor het oogsten van zonne-energie, maar bandbreedte en werkbereik maken het kwetsbaarder in vergelijking met andere.

Conclusies

In dit artikel wordt een gesplitst hexagonaal metamateriaalabsorbeerder voorgesteld met behulp van Au zes nano-armen op basis van GaAs en Ni-substraat voor toepassingen voor het oogsten van zonne-energie. Foto-kwantumanalyse en stroomverdeling laten wiskundig zien dat de voorgestelde eenheidscel een aanzienlijke fotonconversiemogelijkheid heeft voor fotovoltaïsche of zonneceltoepassingen. De prestaties van de voorgestelde eenheidscel SHPA werden geanalyseerd op basis van diëlektrische eigenschappen, transmissielijnprestaties, veld- en stroomverdeling, absorptie in termen van de parametrische studie. Alle gegevens zijn geëxtraheerd uit de S-parameter via CST MWS-simulatie, waaruit blijkt dat DNG-kenmerken bestaan ​​met ultrabreedband EM-absorptie (meer dan 95%), zowel in het zichtbare als in het UV-spectrum van licht. Geoptimaliseerde Hexa-patcheenheid heeft een gespleten opening van 10 nm en een hoogte van 90 nm voor aangegeven absorptie. Experimentele validatie van de voorgestelde absorber zal verder een wenselijke kandidaat blijven in toepassingen voor het oogsten van energie in het THz-bereik.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

CDN:

Klassieke dipool nanoantenne

DRI:

Directe brekingsindex

DNG:

Dubbel negatief

EM:

Elektromagnetisch

FDTD:

Tijdsdomein met eindig verschil

GA:

Genetisch algoritme

PV:

Fotovoltaïsch

SHPA:

Gesplitste zeshoekige patch-array

UV:

Ultraviolet