Bereiken van meer dan 97% zonneabsorptie van 350–1200 nm met dubbele hoge-verlies resonator ontwerp

Samenvatting

Efficiënte breedbandabsorptie van zonnestraling is gewenst voor zeewaterontzouting, anti-ijsvorming en andere hernieuwbare energie-toepassingen. We voeren een idee in van het superponeren van twee hoge-verlies resonanties om de bandbreedtes van een weinig-lagen absorber te verbreden, welke bestaat uit diëlektrisch/metaal/diëlektrisch/metaal lagen. Zowel de simulatie als het experiment tonen aan dat de structuur een gemiddelde absorptie-efficiëntie heeft van meer dan 97% bij golflengtes variërend van 350 tot 1200 nm. De bandbreedte van de absorptie groter dan 90% is tot 1000 nm (410–1410 nm), wat groter is dan die (≤ 750 nm) van eerdere MIM-planaire absorbers. In het bijzonder blijft de gemiddelde absorptie van 350 tot 1000 nm boven 90% bij een invalshoek van zo hoog als 65°, en blijft nog steeds boven 80% zelfs bij een invalshoek van 75°. De prestaties van hoek-ongevoeligheid zijn veel beter dan die van eerdere weinig-lagen zonne-absorbers. De flexibele 1D niet-edelmetaal metasurface absorbers worden geproduceerd in een enkele verdampingsstap. Onder de verlichting van een halogeenlamp van P = 1,2 kW/m² verhoogt de flexibele metasurface zijn oppervlaktetemperatuur met 25,1 K ten opzichte van kamertemperatuur. Verdere experimenten tonen aan dat de warmtelocalisatie snel de geaccumulerde ijs doet smelten. Onze verlichtingsintensiteit (P = 1,2 kW/m²) is slechts de helft van die (P = 2,4 kW/m²) in eerdere zonne-anti-ijs studies gebaseerd op goud/TiO₂ deeltjes metasurfaces, wat aangeeft dat onze metasurface meer voordelig is voor praktische toepassingen. Onze resultaten illustreren een effectieve weg naar breedband metasurface absorbers met de aantrekkelijke eigenschappen van mechanische flexibiliteit, lage kosten van niet-edelmetaal, en grootschalige fabricage, wat veelbelovende perspectieven heeft in toepassingen van zonne-thermisch gebruik.

Inleiding

Een optische absorber met een hoge en brede absorptie is al lang een belangrijk wetenschappelijk en technologisch doel voor veel toepassingen, waaronder thermische fotovoltaiek, stoomgeneratie, en fotodetectie. In de afgelopen jaren zijn optische metamateriaal/metasurface absorbers, kunstmatig gestructureerde materialen gemaakt van 2D-arrays van subgolflengte eenheidscellen, breed onderzocht en ontwikkeld, zoals dicht gepakte nanodraden, nanotuben, getapte groeven, en piramidale ontwerpen. Hoewel enorme inspanningen worden gedaan in prestatieverbeteringen van deze absorbers gebaseerd op 2D-arrays, belemmert de fabricagecomplexiteit van de meeste van deze nanoestructuren, die elektronenbundel-lithografie (EBL), gefocuste ionenbundel (FIB) etching, nano-imprint lithografie, of lithografietechnologie vereisen, hun verdere opschaling.

Om deze problemen op te lossen, worden 1D metasurfaces gebaseerd op het concept van lithografie-vrije planaire ontwerpen een onderwerp van intensief onderzoek in de laatste jaren. Recentelijk hebben wetenschappers de absorptiecapaciteit van enkele weinig-lagen configuraties (zoals enkele edelmetaallaag, isolator-metaal (IM), en metaal-isolator-metaal (MIM) structuur) bewezen, welke gunstig zijn voor lokale accumulatie van geabsorbeerde warmte. Ten eerste, voor de eenvoudige planaire configuraties gebaseerd op edelmetalen (zoals Au en Ag), zijn de absorptiebandbreedtes (A > 90%) kleiner dan 500 nm omdat de absorptie wordt veroorzaakt door alleen een oppervlakte-plasmon-polariton (SPP) effect mechanisme. Deze absorbers gebaseerd op het SPP-effect tonen ook van nature hoek-afhankelijke eigenschap door de impulsvoorwaarden. Daarnaast zijn er ook enkele absorbers voorgesteld en gedemonstreerd die edelmetalen gebruiken gebaseerd op IM of MIM planaire configuratie door gebruik te maken van Fabry-Pérot (FP) resonantie. Echter, voor deze planaire absorbers (zoals Ge/Au en Ag/Si/Ag) zijn de absorptiebandbreedtes (A > 80%) doorgaans minder dan 300 nm vanwege het gebruik van slechts één FP-resonantie. Tegelijkertijd is de materiaalkost van edelmetaal in de meeste van de bovengenoemde absorbers duur. Recentelijk hebben verschillende groepen niet-edelmetalen (zoals Mo of Cr) gebruikt gebaseerd op MIM planaire nanoestructuren om optische absorbers te demonstreren. De Mo/Al₂O₃/Mo absorber gebaseerd op een enkele Fabry-Pérot (FP) resonantie toonde absorptie boven 90% van 400 tot 900 nm. De Cr/Al₂O₃/Cr absorber gebaseerd op één FP-resonantie toonde absorptie boven 90% van 400 tot 1150 nm. Voor de meeste gerapporteerde weinig-lagen planaire absorbers is de bandbreedte Δλ_BW (A > 90%) in de zichtbare nabij-infrarode golflengtes kleiner dan 750 nm. Tegelijkertijd, voor deze MIM planaire nanoestructuren gebaseerd op één FP-resonantie, zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengtes van 400–1000 nm onder 90% dalen voor een invalshoek groter dan 40° onder TE-polarisatie incidentie. Zo'n hoek-afhankelijke spectrale karakteristiek is een significante nadeel, wat de absorbers moeilijk toepasbaar maakt in praktische gebruiken. Daarom is het ontwerpen en realiseren van weinig-lagen niet-edel 1D metasurfaces om omnidirectionele, breedband, en efficiënte absorptie te bereiken uitdagend maar noodzakelijk voor praktische toepassingen.

Hier voeren we voor en demonstreren experimenteel een weinig-lagen niet-edel 1D metasurface, die twee hoge-verlies resonanties superponeert om de bandbreedtes (Δλ_BW) van absorbers te verbreden. De weinig-lagen niet-edel 1D metasurface bestaat uit diëlektrisch/metaal/diëlektrisch dunne lagen op een dikke metaalfilm, en omvat twee hoge-verlies resonanties. Vanwege de superpositie van de twee hoge-verlies resonanties, is de gemiddelde absorptie-efficiëntie van ons voorgestelde metasurface boven 97% bij golflengtes van 400 tot 1200 nm. De absorptiebandbreedtes (A > 90%) is tot 1000 nm (410–1410 nm), wat groter is dan die (Δλ_BW = 750 nm) van eerdere MIM planaire absorbers. Bovendien overschrijdt de gemiddelde absorptie voor een breed bereik van invalshoeken tot 0–65° alle 90% bij golflengtes variërend van 350 tot 1000 nm. Dit maakt onze absorbers meer voordelig voor praktische toepassingen vergeleken met eerdere MIM planaire absorbers, waarvan de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengtes van 400–1000 nm zou dalen onder 90% voor een invalshoek groter dan 40° onder TE-polarisatie incidentie. De metasurface wordt geproduceerd door een enkele stap van elektronenbundelverdamping op een glassubstraat alsook een flexibel PET-substraat. De gemeten absorptiespectra van de niet-edel metasurface komen goed overeen met de simulateresultaten. Vanwege de efficiënte optische absorptie en fotothermische energieomzetting in de ultra-dunne absorptielaag (dikte = 10 nm), vertoont de niet-edel metasurface een temperatuurstijging (ΔT_e = 25,1 K) wanneer het wordt verlicht door een halogeenlichtbron (P = 1,2 kW/m²). De verhoogde temperatuur (ΔT_e = 25,1 K) is hoger dan die van de recent gerapporteerde zonne-absorbers gebaseerd op een goud-deeltjes metasurface (ΔT_e = 12 °C onder P = 2,4 kW/m²) en goud/nikkel plasmonische metasurface (ΔT_e = 8 °C onder P = 1,2 kW/m²). Voor praktische toepassingen demonstreren we dat de metasurface in staat is om ijs te verwijderen onder een halogeenlichtbron (P = 1,2 kW/m²). Dit is efficiënter vergeleken met het eerdere zonne-anti-ijs werk gebaseerd op een goud/TiO₂ deeltjes metasurface die een halogeenlichtbron gebruikt met P = 2,4 kW/m². De lithografie-vrije fabricage van onze 1D weinig-lagen metasurface is eenvoudig te schalen, wat het uitgebreide gebruik in praktische foto-thermische toepassingen vergemakkelijkt.

Ontwerp en methoden

Het ontworpen 1D weinig-lagen metasurface bestaat uit isolator/metaal (hoge-verlies)/isolator dunne lagen op een dikke metaalfilm, zoals getoond in Fig. 1a. De diktes van de bovenste drie dunne lagen zijn h₁, h_m, en h₂, respectievelijk. Het invalende licht kan heen en weer gereflecteerd worden aan de diëlektrisch-lucht interface en de diëlektrisch-metaal interface in de IM planaire nanostructructuur, wat een resonator vormt, zoals getoond in Fig. 1b (Resonator 1). De lengte van Resonator 1 is h₁. Op dezelfde manier is de metaal (hoge-verlies)/isolator/metaal (hoge-verlies) planaire nanostructructuur ook een resonator (aangeduid als Resonator 2 in Fig. 1c), en de lengte van Resonator 2 is h₂. De resonantievoorwaarde van de twee resonanties is:

$$2\left( \frac{2\pi}{\lambda_{\text{res}}} \right)n_{i}t_{i} + \phi_{b} + \phi_{t} = 2\pi m$$

Hierbij is λ_res de resonantiegolflengte. n_i en t_i zijn de brekingsindex en dikte van de isolatorlaag, respectievelijk. m is een integer getal dat de orde van de resonante modus bepaalt. Φ_b en Φ_t zijn de fasverschuiving verkregen van twee reflecties. Op basis van vergelijking (1), door t_i te verhogen, zal de resonantiegolflengte λ_res roodverschuiven. Bovendien, met de toename van de dikte (t_i) van de isolatorlaag, zal het aantal resonante modi toenemen. Om de absorptie te verhogen en de werkingsbandbreedte (Δλ_BW) van resonanties te verbreden, worden hoge-verlies metaalmaterialen gebruikt voor zowel de bovenste als de onderste metaallagen. Zoals we allemaal weten, zijn er veel hoge-verlies materialen in de natuur, zoals Ti, W, en Ni. Deze materialen zijn goedkoop. Hierin wordt Ti gekozen als het hoge-verlies metaal (de tweede en vierde laag). Een MgF₂-laag wordt gekozen als de eerste en derde laag. Andere vergelijkbare diëlektrica zoals SiO₂, TiO₂, en polymeren kunnen ook worden gebruikt als de diëlektrische lagen.

Om te bewijzen dat de structuur in Fig. 1a twee resonanties heeft, worden de absorptiespectra van de IM en MIM planaire structuren in Fig. 1b, c gesimuleerd en afgebeeld, respectievelijk. De absorptie van de metasurface kan berekend worden met een formule van A = 1 − R − T. De tweedimensionale eindige-differentie tijd-domein (FDTD) methode wordt uitgevoerd om de voorgestelde structuur te simuleren. Een normaal invalend licht is incident langs de negatieve z-richting met de polarisatie langs de x-richting. De maasgrootte is ingesteld op 1 nm. Periodieke randvoorwaarden worden toegepast in de x- en y-richtingen. Perfect matched layers (PML) worden geïmplementeerd aan de boven- en ondergrens van het model. Voor de permissiviteitswaarden van diëlektrische en metaalmaterialen worden de experimentele data in [53] gebruikt. In het experiment wordt het ontworpen metasurface geproduceerd door gebruik te maken van een E-bundel verdamper. De optische transmissie (T) en reflectie (R) spectre van de metasurface worden gemeten door een Shimadzu UV3600 spectrophotometer.

Simulatieresultaten en discussie

Voor de IM-structuur in Fig. 1b, wordt de MgF₂/Ti planaire structuur geplaatst op het MgF₂-substraat, en de dikte (h_m) van de Ti-laag is 10 nm. Zoals getoond in Fig. 2a, met de toename van de dikte van de diëlektrische laag, kan waargenomen worden dat het aantal resonantiemodi in de MgF₂/Ti lagen structuur geleidelijk toeneemt, wat goed overeenkomt met vergelijking (1). Dit duidt erop dat de MgF₂/Ti lagen structuur in Fig. 1b een resonator is. Tegelijkertijd kunnen we ook vinden dat de lagere resonantiemodus (corresponderend met de kleinere dikte van de diëlektrische laag) een grotere bandbreedte (Δλ_BW) heeft. Voor de MIM-structuur in Fig. 1c, is de dikte (h₂) van de bovenste Ti-laag ontworpen om 10 nm te zijn, terwijl de onderste Ag oneindig is om het doorgelaten licht te blokkeren. Op dezelfde manier kunnen we het duidelijke resonantiegedrag zien, en de lagere-orde resonantiemodus heeft een grotere bandbreedte (Δλ_BW), zoals getoond in Fig. 2b.

Om een breedband absorptiespectrum te verkrijgen, werken zowel Resonator 1 als Resonator 2 in de laagste-orde resonante modus door redelijk de dikte (h₁ = 105 nm, h₂ = 95 nm) van de twee diëlektrische (fase-aanpassing) lagen te selecteren. Aangezien de reflectiviteit van de diëlektrisch-lucht interface en diëlektrisch-metaal interface relatief laag is, heeft de fundamentele resonante modus een hoge optische verlies. Figuur 2c toont de simulateresultaten van de absorptie (rode doorgetrokken lijn) van de metasurface over de zichtbare en nabij-infrarode golflengtes variërend van 350 tot 1500 nm. Vanwege het bestaan van twee resonanties, zijn er twee absorptiepieken bij een kortere golflengte (rond 470 nm) en een langere golflengte (rond 790 nm), zoals getoond in Fig. 2c. Deze twee resonante pieken afwijken lichtjes van de resonante pieken van de geïsoleerde resonanties, vanwege de interactie van de twee resonanties. Vanwege de superpositie van de resonanties, heeft de 1D weinig-lagen metasurface een gemiddelde absorptie-efficiëntie hoger dan 97% bij golflengtes van 350–1200 nm. De werkingsbandbreedte (A > 90%) van Δλ_BW = 1000 nm is groter dan die (Δλ_BW ≤ 750 nm) van eerdere zonne-absorbers gebaseerd op IM en MIM structuren.

Om het fysieke mechanisme van de 1D metasurface absorbers te verifiëren, worden de kaarten van de vermogensdichtheidsverdeling op de twee absorptiepieken berekend, en de resultaten worden afgebeeld in Fig. 2d. Zoals verwacht, wordt het invalende licht voornamelijk geabsorbeerd in de dunne absorberende (hoge-verlies metaal) laag. Bovendien, om de effectiviteit en universaliteit van het voorgestelde structurele ontwerp te bewijzen, simuleren we ook de prestaties van de metasurfaces door andere hoge-verlies metalen. Bijvoorbeeld, de simulateresultaten van de absorptie, transmissie, en reflectie van de niet-edel metasurfaces door gebruik te maken van andere metalen (zoals W, Ni en Cr) zijn afgebeeld in Aanvullend bestand 1: Fig. S1. In de simulatie zijn de materialen van de eerste en derde lagen MgF₂. De metasurface door gebruik te maken van W heeft ook een gemiddelde absorptie boven 97% bij golflengtes variërend van 350 tot 1000 nm.

De absorptiespectra van metasurfaces met verschillende diktes van de absorberende laag worden berekend en besproken in Fig. 3a. De metasurface absorber behoudt zijn gemiddelde absorptie boven 90% bij golflengtes van 400-1200 nm binnen een breed bereik van de dikte van de dunne absorberende laag (6 nm < d_m < 16 nm). Het resultaat duidt erop 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. Echter, het eerdere werk dat alleen een enkele resonator gebruikte, vereist een hoge-precisie dikte van de dunne absorberende laag voor een kritische koppeling voorwaarde om een efficiënte absorptie te bereiken.

De hoek- en polarisatieafhankelijkheid is ook een belangrijk criterium om een optische absorber te evalueren, dus we berekenen verder de absorptiespectra onder verschillende invalshoeken voor zowel transversale elektrische (TE) en transversale magnetische (TM) modi, zoals getoond in Fig. 3b, c. De gemiddelde absorptie bij golflengtes variërend van 350 tot 1000 nm wordt ook berekend en afgebeeld in Fig. 3d. We kunnen duidelijk zien dat de gemiddelde absorptie bij golflengtes variërend van 350 tot 1000 nm boven 90% blijft bij een invalshoek van zo hoog als 65°. Hun gemiddelde absorptie daalt lichtjes met de toename van invalshoeken en is nog steeds tot 80% voor invalshoeken tot 75° onder TE-gepolariseerde en TM-gepolariseerde lichten. Voor deze eerdere weinig-lagen planaire nanoestructuren gebaseerd op één resonator, zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengtes variërend van 400 tot 1000 nm onder 90% dalen voor een invalshoek groter dan 40° onder TE-polarisatie incidentie. Deze resultaten tonen aan dat deze metasurface de beste prestaties van hoek-onafhankelijkheid bezit vergeleken met eerdere weinig-lagen planaire absorbers. De reden is dat de meeste eerder gerapporteerde weinig-lagen planaire absorbers gebaseerd zijn op slechts één soort absorptiemechanisme. Echter, de absorptie in onze absorber is gebaseerd op de superpositie van twee hoge-verlies resonanties. Op basis van de gesimuleerde absorptiespectra berekenen we de zonne-naar-thermische omzettingsefficiëntie η, als volgt:

$$\Delta = E_{\alpha} - E_{R} = \frac{C \times \int d\lambda \alpha(\lambda) E_{\text{solar}}(\lambda) - \int d\lambda \alpha(\lambda) E_{B}(\lambda)}{C \times \int d\lambda E_{\text{solar}}(\lambda)}$$

waarbij E_α de totale zonne-absorptie is; E_R is de thermische stralingsverlies; E_solar is de spectrale zonnestraling; E_B (λ,T_A) is de zwartlichaamsstraling bij temperatuur T_A; en C is de concentratiefactor die doorgaans in de orde van 1 tot 1000 is. De berekende resultaten worden weergegeven door de doorgetrokken lijnen in Fig. 3e. De absorber presteert hoge η_{solar thermal} van > 0,9 onder TE-gepolariseerd licht met een invalshoek van θ ≤ 60°, zoals getoond in Fig. 3e. Tegelijkertijd blijft de absorber η ≥ 0,9 onder TM-gepolariseerd licht met een invalshoek van θ ≤ 55°, zoals getoond in Fig. 3e. Deze prestatie is beter dan die van eerdere zonne-absorbers. η met verschillende invalshoeken in Ref. [52] wordt afgebeeld door de stippenlijnen in Fig. 3e. Voor TM-polarisatie is de η van onze absorber ongeveer 20% hoger dan die van de absorber in [52]. Deze resultaten onthullen dat de optische absorptie van onze metasurface niet alleen breedband is maar ook grote-hoek.

Experimentele resultaten en discussie

Om de voorgestelde 1D metasurface absorber te valideren, produceren we het ontworpen metasurface door alleen een E-bundel verdamper te gebruiken. De onderlaag van Ti (150 nm), een spacer van MgF₂ (95 nm), een dunne absorptie Ti-laag (10 nm), en een MgF₂-laag (105 nm) worden gedeponeerd op een glassubstraat. De afbeelding van de geproduceerde absorber is afgebeeld in Fig. 4a, en we kunnen waarnemen dat het monster volledig zwart is. Vervolgens worden de optische transmissie (T) en reflectie (R) spectre van de metasurface gemeten bij golflengtes van 350–1500 nm met een Shimadzu UV3600 spectrophotometer bevestigd aan de integrerende bol (ISR-3100). De absorptie (A) wordt dan berekend door A = 1–R–T. Duidelijk zien we een breedband absorptiespectrum met twee absorptiepieken, wat een goede overeenkomst toont tussen simulateresultaten in Fig. 2c en experimentresultaten in Fig. 4b. De gemiddelde absorptie van de experimentresultaten is boven 97% bij golflengtes van 350 tot 1200 nm. De BW (Δλ_BW) van de absorptie groter dan 90% is tot 1030 nm (350 nm-1380 nm), wat groter is dan die (Δλ_BW = 750 nm) van eerdere gerapporteerde IM en MIM planaire absorber.

Daarnaast produceren we ook de metasurface structuur op een flexibel (PE, polyethyleen) substraat, en Fig. 4c vertegenwoordigt de afbeelding van het geproduceerde flexibele monster, wat ook zwart is. De optische eigenschappen van het flexibele monster worden ook gemeten en afgebeeld in Fig. 4d, en een gemiddelde absorptie boven 95% bij golflengtes van 350–1100 nm wordt verkregen. De reden van het kleine absorptieverschil bij kortere golflengtes tussen Fig. 4b, d is dat het een beetje moeilijk is om de hoge-precisie dikte van metaal/diëlektricum in depositieprocessen te garanderen. Zoals getoond in Fig. 4e, meten we ook de absorptiespectra onder verschillende invalshoeken met ongepolariseerd licht. De experimentresultaten tonen aan dat onze absorber ongevoelig is voor de invalshoek, wat consistent is met de simulateresultaten. De gemeten gemiddelde absorptie variërend van 350 tot 1000 nm bij verschillende invalshoeken van 0° tot 70° wordt ook afgebeeld in Fig. 4f. De gemeten gemiddelde absorptie bij golflengtes variërend van 350 nm-1000 nm blijft boven 90% bij invalshoek van zo hoog als 65°, wat in goede overeenkomst is met het simulateresultaat in Fig. 3d. Let op, voor deze gerapporteerde weinig-lagen planaire nanoestructuren gebaseerd op één resonator, zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengtes variërend van 400 tot 1000 nm onder 90% dalen voor invalshoeken groter dan 40° onder TE-polarisatie incidentie.

Voor het verder evalueren van het potentieel van onze metasurface in foto-thermische toepassingen, karakteriseren we ook de licht-verhittingseigenschap. We gebruiken een breedband halogeenlichtbron, en nemen vervolgens de verhoogde temperatuur van een metasurface monster op met een XINTEST-HT18 infraroodthermometer. De vermogen van de halogeenlichtbron wordt gemeten door een XINBAO-SM206 fotometer in het volgende experiment. Uit Fig. 5a kan duidelijk gezien worden dat de gegenereerde warmten sterk zijn begrensd rond het metasurface monster. De flexibele metasurface verhoogt zijn oppervlaktetemperatuur met 25,1 K ten opzichte van kamertemperatuur onder de halogeenlamp van P = 1,2 kW/m². De toename van de oppervlaktetemperatuur is hoger dan die van de recent gerapporteerde zonne-absorbers gebaseerd op een goud-deeltjes metasurface (A = 83%, ΔT_e = 12 °C, P = 2,4 kW/m²) en goud/nikkel plasmonische metasurface (ΔT_e = 8 °C, P = 1 kW/m²). Verder tonen Fig. 5b, c representatieve afbeeldingsreeksen van een bevroren waterdruppel op een metasurface en glas monsters. Eerst wordt een enkele waterdruppel gedeponeerd en bevroren op het oppervlak van een metasurface en glas. Dan verlicht een halogeenlamp (P ≈ 1,2 kW/m²) het oppervlak met de bevroren druppel gehecht aan de metasurface of glas. Voor het metasurface monster, begint de druppel te glijden na 40 s, en wordt volledig verwijderd binnen ongeveer 75 s. In tegenstelling, worden geen veranderingen van de bevroren druppel gezien voor het glas onder dezelfde verlichting. Let op, de verlichtingsintensiteit (P = 1,2 kW/m²) van het invalende licht in ons werk is slechts de helft van die (P = 2,4 kW/m²) in eerdere zonne-anti-ijs studies gebaseerd op goud/TiO₂ deeltjes metasurfaces, wat aangeeft dat onze metasurface meer voordelig is voor praktische toepassingen.

Conclusies

Samenvattend, een efficiënte ontwerpstrategie werd voorgesteld om breedband absorbers te bereiken gebaseerd op 1D niet-edel metasurface, bestaande uit diëlektrisch/metaal/diëlektrisch/metaal lagen. Vanwege de superpositie van twee hoge-verlies resonanties, werd een gemiddelde absorptie boven 97% bij golflengtes 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 planaire absorbers. De metasurface werd geproduceerd door een eenvoudige E-bundel depositiemethode, wat de mogelijkheid van grootschalige toepassingen biedt. De simulatie- en experimentresultaten toonden aan dat de breedband absorptie van onze absorbers boven 90% bleef bij een invalshoek van zo hoog als 65° variërend van 350 tot 1000 nm. Voor eerdere weinig-lagen planaire absorbers zou de gemiddelde absorptie-efficiëntie bij golflengtes variërend van 400 tot 1000 nm onder 90% dalen voor een invalshoek groter dan 40° onder een TE-polarisatie incidentie. Bovendien werd de flexibiliteit ook gedemonstreerd door de metasurface op een flexibel substraat te depositieren. De flexibele metasurface verhoogde zijn oppervlaktetemperatuur met 25,1 K ten opzichte van kamertemperatuur onder een halogeenlamp van P = 1,2 kW/m². Voor praktische toepassingen onderzochten we de capaciteit van de flexibele metasurface voor het verwijderen van ijs onder een halogeenlamp van P = 1,2 kW/m². Deze 1D metasurface met breedband en efficiënte absorptie kan potentiële toepassingen hebben in zonne-energie-gedreven anti-ijsvorming.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar van de corresponderende auteurs op redelijke verzoek.

Afkortingen

BW:

bandbreedtes

FDTD:

eindige-differentie tijd-domein

IM:

isolator-metaal

MIM:

metaal-isolator-metaal