Verbreding van bandbreedtes van enkele laag-absorbers door twee high-loss resonators over elkaar heen te leggen

Simulatieresultaten en discussie

Voor de IM-structuur in Fig. 1b, de MgF₂ /Ti vlakke structuur wordt geplaatst op de MgF₂ substraat, en de dikte (h _m ) van de Ti-laag is 10 nm. Zoals weergegeven in figuur 2a, kan met de toename van de dikte van de diëlektrische laag het aantal resonantiemodi in de MgF₂ worden waargenomen De structuur van de /Ti-lagen neemt geleidelijk toe, wat goed overeenkomt met Vgl. (1). Dit geeft aan dat de MgF₂ /Ti-lagenstructuur in Fig. 1b is een resonator [48]. Ondertussen kunnen we ook ontdekken dat de lagere resonantiemodus (overeenkomend met de kleinere dikte van de diëlektrische laag) een grotere bandbreedte heeft (∆λ _ZW ). Voor de MIM-structuur in Fig. 1c is de dikte (h ₂ ) van de bovenste Ti-laag is ontworpen om 10 nm te zijn, terwijl de onderste Ag oneindig is om het doorgelaten licht te blokkeren. Evenzo kunnen we het voor de hand liggende resonantiegedrag zien, en de resonantiemodus van lagere orde heeft een grotere bandbreedte (∆λ _ZW ), zoals weergegeven in Afb. 2b.

een Gesimuleerde absorptiespectra van de structuur van MgF₂ /Ti/MgF₂ lagen met verschillende h ₁ . b Gesimuleerde absorptiespectra van de structuur van Ti/MgF₂ /Ti-lagen met verschillende h ₂ . c Gesimuleerde absorptie-/transmissie-/reflectiespectra van de metasurface-structuur bestaande uit MgF₂ /Ti/MgF₂ /Ti lagen op een ondergrond. d Vermogensdissipatiedichtheidsberekeningen voor de structuur bij de golflengten van twee absorptiepieken

Om een ​​breedband absorptiespectrum te verkrijgen, werken zowel de Resonator 1 als de Resonator 2 in de resonantiemodus van de laagste orde door een redelijke keuze van de dikte (h) ₁ = 105 nm, h ₂ = 95 nm) van de twee diëlektrische (fase-aanpassing) lagen. Aangezien de reflectiviteit van de diëlektrische-luchtinterface en diëlektrische-metaalinterface relatief laag is, heeft de fundamentele resonantiemodus een hoog optisch verlies. Figuur 2c geeft de simulatieresultaten weer van de absorptie (rode ononderbroken lijn) van het meta-oppervlak over de zichtbare en nabij-infrarode golflengten van 350 tot 1500 nm. Door het bestaan ​​van twee resonatoren zijn er twee absorptiepieken bij een kortere golflengte (ongeveer 470 nm) en een langere golflengte (ongeveer 790 nm), zoals weergegeven in figuur 2c. Deze twee resonantiepieken wijken enigszins af van de resonantiepieken van de geïsoleerde resonatoren, vanwege de interactie van de twee resonatoren. Vanwege de superpositie van de resonatoren heeft het 1D-meta-oppervlak met enkele lagen een gemiddelde absorptie-efficiëntie van meer dan 97% bij golflengten van 350-1200 nm. De operationele bandbreedte (A> 90%) van ∆λ _ZW = 1000 nm is groter dan die (∆λ _ZW ≤ 750 nm)van de vorige zonneabsorbers op basis van IM- en MIM-structuren [1,2,3,4,5,6,7,8].

Om het fysieke mechanisme van de 1D-metasurface-absorbers verder te verifiëren, worden de kaarten van de verdelingen van de vermogensdissipatiedichtheid bij de twee absorptiepieken berekend en de resultaten zijn weergegeven in figuur 2d. Zoals verwacht wordt het invallende licht voornamelijk geabsorbeerd in de dunne absorberende (high-loss metaal) laag. Om de effectiviteit en universaliteit van het voorgestelde structurele ontwerp te bewijzen, simuleren we bovendien de prestaties van de meta-oppervlakken door andere metalen met een hoog verlies. De simulatieresultaten van de absorptie, transmissie en reflectie van de niet-edele meta-oppervlakken door gebruik te maken van andere metalen (zoals W, Ni en Cr) worden bijvoorbeeld weergegeven in Aanvullend bestand 1:Fig. S1. In de simulatie zijn de materialen van de eerste en derde laag MgF₂ . Het meta-oppervlak door W te gebruiken heeft ook een gemiddelde absorptie van meer dan 97% bij golflengten van 350 tot 1000 nm.

De absorptiespectra van meta-oppervlakken met verschillende diktes van de absorberende laag worden berekend en besproken in figuur 3a. De metasurface absorber handhaaft zijn gemiddelde absorptie boven 90% bij golflengten van 400-1200 nm binnen een breed bereik van de dikte van de dunne absorberende laag (6 nm < d _m < 16 nm). Het resultaat geeft aan dat een hoge absorptieprestatie kan worden bereikt in een breed bereik van de dikte van een dunne absorberende laag, wat gunstig is voor gemakkelijke fabricage. Het eerdere werk waarbij slechts een enkele resonator werd gebruikt, vereist echter een zeer nauwkeurige dikte van de dunne absorberende laag voor een kritische koppelingsconditie om een ​​efficiënte absorptie te bereiken.

een Gesimuleerde absorptiespectra van de metaoppervlakstructuur met verschillende h _m . b –c Hoekafhankelijke absorptiespectra van de metasurface absorber onder b TE-gepolariseerd en c TM-gepolariseerde lichten, respectievelijk. d Gemiddelde absorptie variërend van 350 tot 1000 nm bij verschillende invalshoeken van 0° tot 80° van TE-gepolariseerd en TM-gepolariseerd licht. e Berekende zonne-tot-thermische efficiëntie (C = 1000) bij verschillende invalshoeken van 0° tot 80° van TE-gepolariseerd en TM-gepolariseerd licht

De hoek- en polarisatie-afhankelijkheden zijn ook een belangrijk criterium om een ​​optische absorber te evalueren, dus berekenen we de absorptiespectra verder onder verschillende invalshoeken voor zowel transversale elektrische (TE) als transversale magnetische (TM) modi, zoals weergegeven in Fig. 3b, c . De gemiddelde absorptie bij golflengten van 350 tot 1000 nm wordt ook berekend en weergegeven in figuur 3d. We kunnen duidelijk zien dat de gemiddelde absorptie bij golflengten van 350 tot 1000 nm boven de 90% wordt gehouden bij een invalshoek van wel 65°. Hun gemiddelde absorptie neemt iets af met de toename van de invalshoeken en is nog steeds tot 80% voor invalshoeken tot 75° onder TE-gepolariseerd en TM-gepolariseerd licht. Voor deze eerdere vlakke nanostructuren met enkele lagen op basis van één resonator, zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengten van 400 tot 1000 nm onder de 90% dalen voor een invalshoek groter dan 40 ° onder TE-polarisatie-incidentie. [1,2,3] ,4,5,6,7,8, 48, 50]. Deze resultaten laten zien dat dit meta-oppervlak de beste prestatie van hoekonafhankelijkheid bezit in vergelijking met eerdere vlakke absorbers met weinig lagen [1,2,3,4,5,6, 7,8]. De reden is dat de meeste eerder gerapporteerde vlakke absorbers met weinig lagen gebaseerd zijn op slechts één soort absorptiemechanismen. De absorptie in onze absorber is echter gebaseerd op het over elkaar heen plaatsen van twee hoogverliesresonatoren. Op basis van de gesimuleerde absorptiespectra berekenen we de zonne-naar-thermische conversie-efficiëntie ƞ , als volgt[52]

waar E _α is de totale zonneabsorptie; E _R is het warmtestralingsverlies; E _zonne- is de spectrale zonnestraling; E_B (λ ,T _A ) is de blackbody-straling bij temperatuur T _A; en C is de concentratiefactor die gewoonlijk in de orde van 1 tot 1000 ligt [52]. De berekende resultaten worden weergegeven door de ononderbroken lijnen in Fig. 3e. De absorber presteert hoog ƞ _zonnewarmte van > 0.9 onder een TE-gepolariseerd licht met een invalshoek van θ <  = 60°, zoals weergegeven in Fig. 3e. Ondertussen blijft de absorber ƞ>  = 0.9 onder een TM-gepolariseerd licht met een invalshoek van θ <  = 55°, zoals weergegeven in Fig. 3e. Deze prestatie is beter dan die van eerdere zonneabsorbers [52]. ƞ met verschillende invalshoeken in Ref. [52] wordt weergegeven door de stippellijn in figuur 3e. Voor TM-polarisatie is de ƞ van onze absorber is ongeveer 20% hoger dan die van de absorber in [52]. Deze resultaten laten zien dat de optische absorptie van ons meta-oppervlak niet alleen breedband is, maar ook groothoek.

Experimentele resultaten en discussie

Om de voorgestelde 1D-metasurface-absorber te valideren, fabriceren we de ontworpen metasurface door alleen een E-beam-verdamper te gebruiken. De onderste laag van Ti (150 nm), een spacer van MgF₂ (95 nm), een dunne absorptie Ti-laag (10 nm) en een MgF₂ laag (105 nm) worden afgezet op een glazen substraat. Het beeld van de gefabriceerde absorber is afgebeeld in figuur 4a en we kunnen zien dat het monster helemaal zwart is. Vervolgens wordt de optische transmissie (T ) en reflectiespectra (R) van het meta-oppervlak worden gemeten bij golflengten van 350-1500 nm met een Shimadzu UV3600-spectrofotometer bevestigd aan de integrerende bol (ISR-3100). De absorptie (A ) wordt vervolgens berekend door A = 1–R –T . Het is duidelijk dat we een breedband absorptiespectrum zien met twee absorptiepieken, die een goede overeenkomst vertonen tussen simulatieresultaten in figuur 2c en experimentresultaten in figuur 4b. De gemiddelde absorptie van de experimentresultaten ligt boven 97% bij golflengten van 350 tot 1200 nm. De BW (∆λ _ZW ) van de absorptie groter dan 90% is tot 1030 nm (350 nm-1380 nm), wat groter is dan dat (∆λ _ZW = 750 nm [51]) van eerder gerapporteerde IM en MIM vlakke absorber [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].

een Foto van het meta-oppervlak op een glassubstraat. b Experimentele absorptie/transmissie/reflectie spectra van een metasurface structuur. c Foto van een flexibel meta-oppervlak op een PE-substraat. d Experimentele absorptie/transmissie/reflectie spectra van een flexibel meta-oppervlak. e Experimentele hoekafhankelijke absorptiespectra van een metasurface absorber onder ongepolariseerd licht. v Experimentele gemiddelde absorptie bij golflengten van 350 tot 1000 nm bij verschillende invalshoeken van 0° tot 70° van ongepolariseerd licht

Bovendien deponeren we ook de meta-oppervlakstructuur op een flexibel (PE, polyethyleen) substraat, en figuur 4c geeft het beeld weer van het gefabriceerde flexibele monster, dat ook zwart is. De optische eigenschappen van het flexibele monster worden ook gemeten en weergegeven in figuur 4d, en een gemiddelde absorptie van meer dan 95% bij golflengten van 350-1100 nm wordt verkregen. De reden van het kleine absorptieverschil bij kortere golflengten tussen figuur 4b, d is dat het een beetje moeilijk is om de zeer nauwkeurige dikte van metaal / diëlektricum in afzettingsprocessen te garanderen. Zoals weergegeven in figuur 4e, meten we ook de absorptiespectra onder verschillende invalshoeken met niet-gepolariseerd licht. De experimentresultaten laten zien dat onze absorber ongevoelig is voor de invalshoek, wat consistent is met de simulatieresultaten. De gemeten gemiddelde absorptie variërend van 350 tot 1000 nm bij verschillende invalshoeken van 0° tot 70° wordt ook weergegeven in Fig. 4f. De gemeten gemiddelde absorptie bij golflengten variërend van 350 nm-1000 nm wordt boven 90% gehouden bij invalshoek als hoog als 65°, wat goed overeenkomt met het simulatieresultaat in figuur 3d. Merk op dat voor deze gerapporteerde vlakke nanostructuren met weinig lagen op basis van één resonator, de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengten van 400 tot 1000 nm onder de 90% zou dalen voor invalshoeken groter dan 40 ° onder TE-polarisatie-incidentie. [1,2] ,3,4,5,6,7,8, 48, 50]

Om het potentieel van ons meta-oppervlak in fotothermische toepassingen verder te evalueren, karakteriseren we ook de lichtverwarmende eigenschap ervan. We gebruiken een breedband-halogeenlichtbron en registreren vervolgens de verhoogde temperatuur van een meta-oppervlakmonster met een XINTEST-HT18 infraroodthermometer. Het vermogen van de halogeenlichtbron wordt gemeten met een XINBAO-SM206 fotometer in het volgende experiment. Uit figuur 5a is duidelijk te zien dat de gegenereerde hitte sterk beperkt is rond het metaoppervlakmonster. Het flexibele meta-oppervlak verhoogt de oppervlaktetemperatuur met 25,1 K vanaf kamertemperatuur onder het halogeenlicht van P = 1.2 kW/m ² . De stijging van de oppervlaktetemperatuur is hoger dan die van de recentelijk gerapporteerde zonneabsorbers op basis van een gouddeeltjesmeta-oppervlak (A = 83%, ∆T _e = 12 °C, P = 2,4 kW/m ² )[54] en goud/nikkel plasmonisch meta-oppervlak (∆T _e = 8 °C, P = 1kw/m ² ) [55] Verder toont Fig. 5b, c representatieve beeldsequenties van een bevroren waterdruppel op een meta-oppervlak en glasmonsters. Ten eerste wordt een enkele waterdruppel afgezet en bevroren op het oppervlak van een meta-oppervlak en glas. Dan gaat een halogeenlamp branden (P ≈ 1.2 kW/m ² ) verlicht het oppervlak met de bevroren druppel gehecht aan het meta-oppervlak of glas. Voor het metaoppervlakmonster begint de druppel na 40 s te schuiven en wordt deze binnen ongeveer 75 s volledig verwijderd. Daarentegen worden geen veranderingen van de bevroren druppel gezien voor het glas onder dezelfde verlichting. Merk op dat de verlichtingsintensiteit (P = 1.2 kW/m ² ) van het invallende licht in ons werk is slechts de helft daarvan (P = 2,4 kW/m ² ) in eerdere zonne-anti-ijsstudies op basis van goud/TiO₂ deeltjesmeta-oppervlakken [54], wat aangeeft dat ons meta-oppervlak voordeliger is voor praktische toepassingen.

een Warmtebeeld van een metasurface absorber. b Representatieve snapshots van een bevroren waterdruppel op een verlicht meta-oppervlak en glas

Conclusies

Samenvattend werd een efficiënte ontwerpstrategie voorgesteld om breedbandabsorbers te realiseren op basis van 1D niet-edel meta-oppervlak, bestaande uit diëlektrische/metaal/diëlektrische/metaallagen. Door de superponering van twee hoogverliesresonatoren werd een gemiddelde absorptie van meer dan 97% bij golflengten van 350-1200 nm bereikt. De bandbreedte van de absorptie groter dan 90% was tot 1000 nm (410-1410 nm), wat groter was dan die (-750 nm) van eerdere MIM vlakke absorbers [1, 5, 8, 25,26,27]. Het meta-oppervlak is gefabriceerd met een eenvoudige E-beam-depositiemethode, waardoor toepassingen op grote oppervlakken mogelijk zijn. De simulatie- en experimentresultaten toonden aan dat de breedbandabsorptie van onze absorbers boven de 90% werd gehouden bij een invalshoek van wel 65°, variërend van 350 tot 1000 nm. Voor eerdere vlakke absorbers met enkele lagen zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengten van 400 tot 1000 nm onder 90% dalen voor een invalshoek groter dan 40 ° onder een TE-polarisatie-inval. [1,2,3,4,5] ,6,7,8, 48, 50]. Bovendien werd de flexibiliteit ook aangetoond door het meta-oppervlak af te zetten op een flexibele ondergrond. Het flexibele meta-oppervlak verhoogde de oppervlaktetemperatuur met 25,1 K ten opzichte van kamertemperatuur onder een halogeenlamp van P = 1.2 kW/m ² . Voor praktische toepassingen onderzochten we het vermogen van het flexibele meta-oppervlak om ijs te verwijderen onder een halogeenlamp van P = 1.2 kW/m ² . Dit 1D-meta-oppervlak met breedband en efficiënte absorptie kan potentiële toepassingen hebben in door zonne-energie aangedreven ijsfobiciteit.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die zijn gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens het huidige onderzoek zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteurs.

Afkortingen

BW:

bandbreedtes

FDTD:

tijdsdomein met eindig verschil

IM:

isolator–metaal

MIM:

metaal–isolator–metaal