Design eines Nano-Metaabsorbers in Split-Hexagonal-Patch-Array-Form mit Ultrabreitband-Absorption für sichtbare und UV-Spektrum-Anwendungen

Einführung

Die Werkstofftechnik hat seit der Antike zur menschlichen Entwicklungsgeschichte beigetragen, und „Metamaterial“ wird bald einer der entscheidenden Durchbrüche sein. „Meta“, was einen Wandel in der Materialgattung bezeichnet, weist einzigartige dielektrische Eigenschaften wie negative Permittivität und Permeabilität auf und ist leicht herzustellen [1]. Unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten [2, 3] in Metamaterial machen mehrere Forscher auf der ganzen Welt neugieriger, Benchmark-Innovationen in ihren jeweiligen Forschungsbereichen durchzuführen. Die photonische Energieumwandlung aus dem sichtbaren Frequenzbereich und deren Einbindung in das Energy Harvesting, insbesondere die solarzellenbasierte Energieforschung, ist einer der vielversprechenden Bereiche bei Metamaterial-Absorbern [4,5,6]. Sichtbare Lichtwellen im Spektrum oder im UV-Bereich umgaben uns immer ohne ernsthafte Probleme und mit reichlich Energie. Unter allen etablierten Nutzungstechniken werden Photovoltaik (PV)-Technologien weit verbreitet in Feldanwendungen eingesetzt, und in den letzten Jahren wurde die hochmoderne Methode vorgeschlagen, um die Leistung zu verbessern, um das Gleichgewicht bei zukünftigen Herausforderungen im Bereich der grünen Energie zu halten . Zum Beispiel ein-, multikristalline und polykristalline Zellen zur Effizienzsteigerung, PV-Entwicklung mit Metallhalogenid-Perowskiten, organische und Quantenpunkt-PV zur Leistungsumwandlungseffizienzsteigerung, optoelektronische Qualität von PV-relevanten Materialien, die die Leistungsabgabe beeinflussen [7] und so an. Darüber hinaus sind Materialherstellungsverfahren wie sequentielle Abscheidung einer hochwertigen PV-Perowskitschicht [8], beschichtete und gedruckte PV-Perowskite [9], Photonenrecycling [10] oder Algorithmus basierend auf Schwerpunktanalogie am Punkt maximaler Leistung [11] usw. fokussiert, um die Effizienz der Solarzelle zu verbessern.

Außerdem wurde ein potenzielles Feld der Sonnenenergienutzung mit einer Kombination aus Antenne und Gleichrichter (Diode), bekannt als „Rectenna“, erforscht, um die Effizienz einer typischen PV-Zelle zu verbessern. Rectennas wurden hauptsächlich für die mikrowellenbasierte Leistungsübertragung untersucht, da sie bei der Umwandlung von Mikrowellenenergie in Elektrizität sehr effizient sind. Zum Beispiel ein patentierter Prototyp [12] mit Nanotechnologie, der sich auf die Umwandlung von Licht in Elektrizität mit verbesserter Effizienz konzentriert und derzeit mit der traditionellen Solarzelle kompatibel ist. Das experimentelle Verfahren zeigt, dass die unter einem PV-Modul platzierte Rectenna eine Leistung von 380 bis 480 W/m ² . lieferte mit kombiniertem Modul von 10–20 % auf 38–40 % erhöht. Aufgrund der Beschränkung der Nanofabrikationstechnik arbeitet der Großteil des Prototyps im fernen Infrarotbereich und nicht im sichtbaren Spektrum. Es ist zu erwarten, dass die Entwicklung der Nanotechnologie diesen Ansatz weiter beschleunigen wird. Daher verfolgten neuere Artikel eine vielfältige Strategie zur Gewinnung von Sonnenenergie, wie z. B. die Hybridisierung von HF-Solarenergie durch die transparente Multiport-Antenne [13], die einen Wirkungsgrad von 72,4% bei einer HF-zu-DC-Umwandlungseffizienz von 53,2% erreichte. Evolutive Dipol-Nanoantenne (EDN) [14], hergestellt durch Elektronenstrahl-Lithographie, die der Effizienzoptimierung für das Harvesting gewidmet ist, wobei die Effizienz im Vergleich zu klassischen Dipol-Nanoantennen (CDN) von 30% auf 40% gestiegen ist. Metall-Isolator-Metall (MIM) integriert mit SiO₂ Tunnel [15] zeigt einen Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 90 %, Zhang und Yi [16] schlugen einen ähnlichen Ansatz unter Verwendung einer bogenförmigen Nanorektenna vor, die einen Umwandlungswirkungsgrad von 73,38 % beansprucht. Ebenso zeigte Metamaterial inspirierte Rectenna mit eingebettetem Schottky-Dioden-basierten 'Fabry-Perot (FP)' Resonator [17] einen hohen Q-Faktor und eine 16-fache Leistungsverbesserung, optische Rectenna, inspiriert von Metamaterial und entwickelt von semi-klassischen Modellzuständen, hohe Effizienz, kostengünstige Solarzelle [18]. Darüber hinaus wurden verschiedene Variationen der Metamaterialeigenschaften untersucht, wie schaltbares Metamaterial mit Bifunktionalität der Absorption [19], Vanadiumdioxid-basierte dünne Metaoberfläche, Germanium-inspirierte Metaoberfläche für abstimmbare Sensorik [20]. Abgesehen von der herkömmlichen Idee des Energy Harvesting wurden die meisten Metamaterial-Absorber oder -Antennen eher für das RF-Energy-Harvesting als für das sichtbare Spektrum entwickelt. Energy Harvesting in diesen Artikeln [21, 22] kann nicht zur Solarzelle beitragen.

Neuere Forschungen im THz-Bereich von Rectenna- oder Metamaterial-Absorber-inspirierten Nano-Rectenna, die sich aufgrund verschiedener Einschränkungen wie Impedanzanpassung, Integration zwischen Elementarzelle und PV-Zelle, Einspeisung von umgewandelter Energie von der Elementarzelle in die PV-Einheit, Photonenumwandlungseffizienz noch im Laborexperiment oder in der Analyse befinden , Transportverluste usw. Darüber hinaus verschlechtern PV-Zellen wahrscheinlich die Leistung mit Umgebungsparametern und einem schmalen Absorptionsband im sichtbaren Spektrum. Nichtsdestotrotz werden nanoskalige Antenne oder Absorber erforscht, indem fortschrittliche Design- und Herstellungstechniken angewendet werden, wie z Materialverhalten und Fertigungsbeschränkungen. Einzigartige optische und elektrische Eigenschaften der nanoskaligen Struktur [25,26,27,28,29] zeigen eine Vielzahl von Absorptionsprozentsätzen mit dynamischen Materialeigenschaften. Obwohl die meisten der berichteten hochentwickelten Strukturen noch schwierig in der Anwendung bei der Solarenergieabsorption sind, werden einige Metamaterial-Absorber für die beabsichtigte Anwendung auf experimenteller Basis verwendet [30, 31]. Da die Antenne die einfallende EM-Welle in ein Wechselstromsignal umwandelt, kann die Diode sie auf die nutzbare Gleichspannung gleichrichten. Über 90% des Umwandlungswirkungsgrades kann in den Radiofrequenzen erreicht werden. Aufgrund des komplizierten Verfahrens und der viel zu langsamen Reaktion der diodenbasierten Gleichrichtung ist es jedoch enorm schwierig, die Rectenna in den optischen Bereich zu erweitern. Eine selten beachtete Arbeit über eine direkte photoelektrische Umwandlung ohne Diode, bekannt als dynamischer Hall-Effekt (DHE), wurde 1954 von H. Barlow veröffentlicht. Es wurde vorgeschlagen, Gleichspannung durch die gemeinsame Wirkung dynamischer elektrischer und magnetischer Felder der schrägen einfallende Strahlung. Dieser Effekt wird theoretisch von allen leitenden Materialien gezeigt und ist auf ganze EM-Spektren von Mikrowellen bis zu sichtbaren Frequenzen mit einer schnellen Reaktion anwendbar [32]. Somit ist ein potenzielles Feld der Effizienzsteigerung von Solarenergiegewinnungssystemen unter Verwendung von Metamaterial noch zu erforschen, zu analysieren und alle verfügbaren Techniken neu einzusetzen, um die typische Solarzelleneffizienz auf Anwendungsebene zu beschleunigen.

In diesem Papier stellen wir einen SHPA-Metamaterial-Absorber auf Tri-Nanoschicht-Material mit DNG-Eigenschaften vor, die sowohl im sichtbaren als auch im UV-Bereich für die Gewinnung von Sonnenenergie simuliert werden. Finite-Difference-Time-Domain-(FDTD)-Analysemethode, gefolgt von Strukturbildung, Analyse und kommerziell erhältlichem CST Microwave Studio (MWS) 2017, das für die Simulation verwendet wird. Daher gelten Standard-Randbedingungen für die Wellenausbreitungsanalyse sowie die TE-, TM-Ebenenpolarisation, die auch für die Weitwinkelabsorption modelliert wird. Für strukturoptimierte Metamaterialabsorber im Nanobereich wurden genetische Algorithmen (GAs) in vielen verschiedenen Designs erfolgreich angewendet, um ein positives Ergebnis zu erzielen [33, 34]. Daher verwendete der vorgeschlagene Absorber einen ähnlichen Algorithmus [33], um die Materialeigenschaften mit negativem Index (NIM) zu finden. Abbildung 1c veranschaulicht die GA-optimierte Einheitszellen-Designdomäne, bei der Nano-Split-Hexa-Form und geteiltes 10 × 7-Gitter aufweisen. Innerhalb des Gitters zeigt ein unterteiltes 3 × 3-Gitter eine sechseckige Form. Der eigentliche Mechanismus ist die Interpolation von Daten, um die verbesserte Absorption mit variierenden geometrischen Abmessungen zu erhalten, während die Nanostrukturform erhalten bleibt. Das Ziel dieser GA ist es, SHPA-Metamaterial für die sichtbare Frequenz mit maximal möglichen NIM-Eigenschaften zu extrahieren. Während der Simulation ausgewertete Streuparameter werden an das MATLAB-Programm weitergeleitet, um die Charakterisierung und die relevante Eigenschaftsanalyse zu extrahieren. Numerische Untersuchungen zeigen mehr als 95 % Absorption in beiden Frequenzbereichen mit signifikanten linkshändigen Metamaterialeigenschaften. Somit kann das vorgeschlagene SHPA mit weiterer fabrizierter Validierung sein potenzielles Anwendungsgebiet wie die Gewinnung von Sonnenenergie, den Photonenakkumulationsprozess für eine Solarzelle oder die photonische Verstärkung beweisen.

SHPA Nano-Metaabsorber. a Physische Dimension. b Simulationsaufbau. c GA-optimierte Codierungsdarstellung

Computergestütztes Design und Methodik

Der SHPA-Metamaterial-Absorber wurde als Doppelschicht-Substrat, Galliumarsenid (GaAs) und Nickel (optisch) und Patch-Schicht auf Gold (Au) modelliert. Ein 80 nm dickes GaAs mit einer verlustbehafteten Permittivität von 12,94 und 100 nm dickem Ni (Abb. 1a). Tabelle 1 zeigt die Detaildimension der Elementarzellenstruktur. Die Dicke des SHPA-Patches beträgt 90 nm und der Au-Film ist für ein lokalisiertes Magnetfeld vernachlässigbar, isotrope Leitfähigkeit von 4,1 × 10 ⁷ S/m [35]. Nach dem „anisotropen Drude-Leitfähigkeitstensor“ [36] wird nur die Z-Komponente des lokalen Magnetfelds betrachtet. Denn eine orthogonale Komponente der anderen beiden Achsen ist viel schwächer als die Z-Komponente. Während der Simulation periodische Randbedingung in X- und Y-Richtung, wobei PEC (perfekter elektrischer Leiter) bzw. PMC (perfekter magnetischer Leiter) auf die obere und untere Schicht angewendet wird (Abb. 1b). Die anisotrope Leitfähigkeit der Elementarzellen wurde durch den Einbau eines lokalisierten Magnetfelds sichergestellt. Die S-Parameter von SHPA wurden simuliert und reichen von 430 THz bis 1000 THz mit einer Schrittweite von 100 THz. Der Reflexions- (R), Transmissions- (T) und Absorptionsbereich (A) erhalten durch A =1-T-R wobei |S ₁₁ | ² =R und |S ₂₁ | ² =T. Ebene-Welle des elektrischen Feldes definiert durchE = E _x Cos(ωt + kz ) sich in Richtung der Z-Achse ausbreitend, wobei E _x ist die Amplitude des elektrischen Feldes, ω ist die Kreisfrequenz, t ist Zeit und k ist die Wellennummer.

Die von Pendry [37] vorgeschlagene Entwicklung der geometrischen Struktur für Metamaterial ist weithin für den Mikrowellenbereich anwendbar, aber der THz-Bereich, d. Ein alternativer Designansatz [38] Metall-Dielektrikum-Metall veranschaulicht also ein gutes Ansprechverhalten als resonanter magnetischer Dipol für die normale Ausbreitung zur Struktur, die eine negative Permeabilität zeigt und eine vereinfachte Schichtstruktur relativ einfach im Nanomaßstab herzustellen ist. Darüber hinaus erfordert der Entwurf eines Metamaterial-Absorbers mit DNG-Eigenschaften in dreidimensionaler Form mehrere Eigenschaften der Struktur wie Rückwärtsausbreitung, umgekehrter Doppler-Effekt, Verstärkung von evaneszenten Wellen usw. Obwohl die theoretische Analyse und die Fähigkeiten bezüglich des sichtbaren Frequenzspektrums bereits von den Experten beschrieben wurden [39 ,40,41]. Somit befasst sich die auf DNG-Eigenschaften basierende Dünnschicht-Nanostruktur-MA mit negativen ε und μ und wird üblicherweise als periodische dünne metallische Anordnung verwendet. Dünnes metallisches Patch-Array verdünnt das Freie-Elektronen-Plasma, das vom „Drude“-Modell beschrieben wird, aber da wir die obere Schicht als verlustbehaftet angesehen haben

wo ω _p ist die reduzierte Plasmafrequenz abhängig von der geometrischen Abmessung einer dünnen Schicht, ω _m ist die Magnetresonanzfrequenz, γ _m Verluste, M _m bestimmt die Stärke der Magnetresonanz.

Ergebnisse, Analyse und Diskussion

Einheitszellenleistung und dielektrische Eigenschaften

Nach der Photo-Quanten-Methode wird an der Randbedingung der Elementarzelle eine gewisse Leistung benötigt, insbesondere in Ausbreitungsrichtung, Polarisationswinkel, E-Feld und H-Feld-Stromfluss usw. Analysieren wir also die Leistung, die zur Ausbreitung in multikristalliner Richtung erforderlich ist [42]. Die Gleichungen (2) und (3) basieren auf einem komplexen Poynting-Vektorsatz, inspiriert von [42, 43]. Tatsache ist, dass die Energieaufnahme durch die Elementarzelle Sonnenlicht wäre, das omnidirektional ist, und der Energiefluss unter Verwendung des Absorbers muss in eine Richtung gehen, um die Effizienz zu verbessern. Somit ist die Leistung der sich ausbreitenden Welle gerade proportional zum Realteil des Vektors bezogen auf den zeitlich gemittelten Parameter. Die stimulierte Leistung an einem oder beiden Ports breitet sich durch die Einheitszelle aus. Der Rest der Energie wird über alle Ports (abgehender Strom) ausgegeben. Die akzeptierte Leistung in der Elementarzelle wird in Verluste wie dielektrische Materialeigenschaften, Patches oder konzentrierte Elemente umgewandelt, die für SHPA-Nanoarme in Betracht gezogen werden. Betrachtet man den Realteil der komplexen Durchschnittsleistung in Z -Richtung

Das gilt auch für (Z_-ve Richtung), um den Nettoenergiefluss an einem bestimmten Hafen zu beschreiben. Der ½-Faktor in Gl. (2) bezieht sich auf die Zeitmittelung des Feldes im Uhrzeigersinn. Der Imaginärteil der Leistung kann aufgrund sich nicht ausbreitender Blind- oder gespeicherter Energie vernachlässigt werden und kann die übertragene Leistung (P_T ) Beobachten der durchschnittlichen Zeitleistung entlang X und J Achse bzw.-

In ähnlicher Weise wurde die akzeptierte und ausgehende Leistung unter Verwendung der Gleichung in [43] berechnet und in Abb. 2 aufgetragen, wobei die zugehörige Leistung (Abb. 2a) und die Leistung durch den Nanometaabsorber der Elementarzelle (Abb. 2b) während der Simulation beobachtet wurden. Die stimulierte Leistung ist im gesamten Spektrum auf 0,5 Watt begrenzt, während die akzeptierte und ausgehende Leistung in beiden Ports eine umgekehrte Leistungsverteilung aufweist. Der 3D-Leistungsfluss zeigt jedoch aufgrund der Trägheit des Dipolmoments im Betriebsfrequenzbereich und des inhomogenen Materialdurchdringungszustands ungewöhnliche Eigenschaften. Ab 430 THz ist der größte Teil des Dipolmoments nicht organisiert, da der THz-Betrieb im Anfangsstadium einen Polarisationseffekt hat und nach 715 THz stetig einen richtigen Dipoleffekt hat, der bis zu 1000 THz andauerte. Außerdem sind die Halbleitereigenschaften des GaAs-Materials sowie die ferromagnetischen Eigenschaften von Ni dafür verantwortlich, die

Leistungsverteilung im SHPA-Metaabsorber (a ) 2D-Verteilung (b ) 3D-Leistungsfluss durch die Elementarzelle

Kraftfluss aber zum Glück nicht so dominierend. Dielektrische Eigenschaften (ε , μ , η ) aus dem S-Parameter für die numerische Untersuchung zur Bewertung der Metamaterialeigenschaften extrahiert. Der Elementarzellenabsorber mit drei verschiedenen Materialien hat isolierte Eigenschaften bei der EM-Wellenausbreitung, aber diese einzigartige strukturelle Dimension mit kaskadierter Kapazität und Induktivität auf den oberen Patches modifiziert die herkömmlichen Eigenschaften einzelner dielektrischer Materialeigenschaften und zeigt einzigartige Eigenschaften. Extrahieren der dielektrischen Eigenschaften DRI-Methode [44], die verwendet wird, wobei der Transmissionskoeffizient (S₂₁ ) und Reflexionskoeffizient (S₁₁ ) war der kritische Parameter.

Abbildung 3 zeigt alle simulierten Ergebnisse des vorgeschlagenen SHPA-Nanometaabsorbers. Abbildung 3a,b Größe von S₁₁ und S₂₁ hat sowohl im Real- als auch im Imaginärteil eine nahezu konstante Größe. Obwohl die Infrarotbereichsantwort drei aufeinanderfolgende kleine Resonanzpunkte aufgrund des Skin-Tiefe (δ)-Effekts der Struktur hat, spielt sie glücklicherweise eine positive Rolle beim Erhalten der negativen Permittivität, Permeabilität und des Brechungsindex. Abbildung 3c,d,e zeigt jeweils den realen und imaginären Wert dieser Eigenschaften und stellt die Existenz des Metamaterials auf dem vorgeschlagenen SHPA sicher. Darüber hinaus müssen intensive thermische elektromagnetische evaneszente Felder [45] aufgrund der Anwendungsperspektive der Sonnenenergiegewinnung berücksichtigt werden. Experimentell wurde in [45, 46] erwähnt, dass während der Nahfeldstrahlung die Wärmeleitung von zwei aufeinander folgenden Materialien allmählich zunimmt. Außerdem dominieren Oberflächenpolaritonen auch die evaneszenten Wellen und nach dem Drude-Modell die komplexe Permittivität und Permeabilität, die durch Wellenpolarisationen innerhalb der Elementarzelle bestimmt wird. Abbildung 3 c,d,e zeigt dielektrische Eigenschaften, bei denen der Betrieb der Permittivität und Permeabilität bei niedrigeren Wellenlängen durch diese evaneszente Welle beeinflusst wird. Daher werden die negativen Eigenschaften der vorgeschlagenen Elementarzelle deutlich sichtbar und sorgen für eine gute EM-Absorption. Übertragungsleitungseigenschaften und VSWR (Voltage Stehwellenverhältnis) des SHPA-Nanoabsorbers in Fig. 4 zeigen deutlich den Reflexionsgrad

Eigenschaften des SHPA-Metamaterials. a S₁₁ Antwort. b S₂₁ Antwort. c Permittivität. d Permeabilität. e Brechungsindex über sichtbares und infrarotes Spektrum

Smith-Diagramm zeigt das VSWR der Elementarzelle SHPA über das Spektrum bei einer normalisierten Impedanz

und Übertragungsleitungsleistung. Das VSWR bei einer Impedanz von 430 THz war hoch, und die halbe Wellenlänge der Leitung hat keine gute Anpassung von der Quelle zur Lastseite. Daher ist die Absorptionsmenge des EM-Signals auch bei einer niedrigeren Frequenz gering, aber allmählich wurde versucht, die Impedanz (mit einer normalisierten) so weit wie möglich anzupassen, was zu einer Absorption von über 90% im Infrarotspektrum (1000 THz) führte. Da die Elementarzelle eher ein absorbierendes Element als ein strahlendes Element darstellt; daher hat sein VSWR auf der Lastseite keinen höheren Wert.

Feldeffektanalyse

Die EM-Natur des Lichts ist eine transversale elektromagnetische Welle im sichtbaren Bereich. Das von der Sonne kommende Licht wird in drei Spektren unterteilt:Infrarot, sichtbares und ultraviolettes (UV). Die spektrale Energieverteilung des Sonnenlichts hat eine maximale Intensität von 1,5 eV in einem sichtbaren Bereich ähnlich dem der meisten Halbleitermaterialien, während zwei andere Spektren bei Absorption Wärme erzeugen. Unter Berücksichtigung der typischen EM-Ausbreitung des sichtbaren Lichts und der Randbedingungen, die in Abb. 1b angegeben sind, ist die numerische Leistung des elektrischen Felds (E-Feld) und des magnetischen Felds (H-Feld) in Abb. 4 gezeigt die Zahl, aber die gesamte Bandbreite 430~650 THz hat eine ähnliche Verteilung des Feldes. Nun, Vektorwellengleichungen wie in [47]

wobei der eindimensionale Vektordifferentialoperator∇ leicht mit der Phasenvariation während der EM-Wellenausbreitung variiert, die elektrischen und magnetischen Feldkomponenten sindE _m und H _m die Ausbreitungskonstante \( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \) ist eine komplexe Größe, die sich auf die Dämpfung und Phasenabweichung der Welle bezieht. Da die sichtbare Lichtwelle sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften aufweist, zeigt die Wellenausbreitung durch das Elementarzellenmaterial Variationen hinsichtlich der E-Feld- und H-Feld-Eigenschaften. Außerdem γ eine nichtlineare Beziehung zu den dielektrischen Eigenschaften aufweisen, wenn die Betriebsfrequenz allmählich ansteigt. Abbildung 5 zeigt jeden Nano-Split der signifikanten SHPA-E-Feld-Komponente (2,31 × 10 ⁶ .). V/m in logarithmischer Skala) existieren bei einer Resonanz von 550 THz. Obwohl über dem simulierten Frequenzbereich (sichtbar und UV) dieses starke E-Feld mit einer leichten Amplitudenschwankung beobachtet wurde. Horizontaler und vertikaler Patchbalken (mit vier Teilungen) tragen ebenfalls zur Feldkomponente mit Amplitudenvariation bei (2,08 × 10 ⁵ .) ~2,31 × 10 ⁶ V/m-Log-Skala). Während einer transienten Analyse einer SHPA-Elementarzelle (zweistufige Kaskade) mit einem Kapazitäts- und Induktivitätswert von 1,37 × 10 ⁻¹⁷ nF und 3,87 × 10 ⁻¹⁴ nH beschleunigen den Resonanzfrequenzfeldbetrieb. Das H-Feld (Abb. 5b) hat einen ähnlichen Effekt bei der EM-Ausbreitung entlang der Z-Richtung und während der inhomogenen Mediumpenetration, Gl. (5) wird zu Funktionen von Z und in der die magnetische Permeabilität konstant ist. Dann wird die entsprechende Wellengleichung auf eine „Ricatti-Differentialgleichung“ reduziert [48]

Feldeffekt auf SHPA bei Resonanz 550 THz. a E-Feld. b H-Feld

wo k ist die Wellenzahl und m(z) ist ein komplexer Brechungsindex. Darüber hinaus nimmt die Phasenverzögerung der Welle mit dem Verhältnis der Phasengeschwindigkeit im freien Raum und im Medium zu, was ein weiterer wesentlicher Beitrag des vorgeschlagenen Elementarzellen-SHPA für eine geringere Reflexion ist und mehr Energie von der Welle absorbiert.

Polarisation von Lichtwellen an vorgeschlagenen Elementarzellen-SHPA untersucht, um die Machbarkeit von Elementarzellen für die Gewinnung von Sonnenenergie zu erklären, da die polarisierte Welle durch die Oberfläche ihre Energie während der Ausbreitung verliert. Hamiltonsche Formulierung [49] erwähnt, dass Übergangsdipolmatrixelemente für die TE- und TM-Polarisation in den verschiedenen Einfallswinkeln der Welle auf GaAs-Material variieren. Der Polarisationswinkel sowohl für den TE- als auch für den TM-Modus erhöht die Schrittweite von 40° (Abb. 6) und der Polarisationswinkel des elektrischen Felds hat einen überraschend dominierenden Effekt im Vergleich zur Magnetfeldorientierung. Während des TE-Modus führt der Unterschied zwischen Kern- und Mantelschichten in einem niedrigeren Bereich von ungefähr 430–650 THz (690 nm bis 460 nm) [50] für einen gegebenen Unterschied der Ni-GaAs-Substratkombination zu einem variierenden Brechungsindex, der zunimmt wenn sich die sichtbare Wellenlänge der Bandlücke nähert. Daher wird die Fluktuation der Absorptionsmenge in diesem Spektrum beobachtet (Fig. 6a), während die TM-Polarisation trotz Polarisationswinkeländerungen von 0° auf 120° eine Fluktuation des ähnlichen Typs zeigt. Im TM-Modus wird die Phasenfehlanpassung im Allgemeinen für längere Wellenlängen groß. Außerdem hat die sechseckige Form einen signifikanten Einfluss auf die Absorption während der Variation des Spaltspalts und der Höhe des Pflasters. Die von dem Split-Gap-Patch gebildete Kapazität variiert, während die benachbarte Kapazität durch die Position des Patches konstant ist. Fig. 6c Split-Gap-Änderung von 5 nm auf 25 nm und eine Verringerung des Split-Gap ergeben aufgrund der beträchtlichen Kapazität eine ausgezeichnete Absorption. Trotz der Lückenänderung bleibt die Absorption für 5 nm fast über 90%, und die allmähliche Zunahme der geteilten Lücke führt zu einem anfänglichen Absorptionsabfall um 430–500 THz, aber insgesamt wurde während der Simulation eine Absorption von 95% beobachtet. In Bezug auf die SHPA-Höhe (Fig. 6d) nimmt die Ausbreitungsfläche des EM-Signals kollektiv sowohl für senkrechten als auch für schrägen Einfall zu, da die Patch-Split bei 10 nm bleibt, und daher wird die Split-Höhe mit einem höheren Wert mit Absorption optimiert. Für SHPA-Höhe oder -Dicke 60 nm bis 90 nm durchschnittliche Absorption 85% bis 88%, was direkt die Optimierung für 90 nm angibt.

Polarisationseffekt auf die Absorption. a TE-Polarisation. b TM-Polarisation und SHPA-Struktureffekt. c Split Gap vs. Absorption. d Höhe vs. Absorption

Ein hergestellter Prototyp und Messergebnisse von SHPA würden jedoch simulierte Daten unterstützen, die in der nächsten Phase der Studie verwendet werden. Außerdem ein in Tabelle 2 beschriebenes Vergleichsbild, um den Beitrag des vorgeschlagenen Nano-Metaabsorbers zu verstehen. In Tabelle 2 zeigt der berichtete Artikel [51] eine gute Effizienz, aber die Betriebsfrequenz und die Schmalbandleistung machen es nicht möglich, den Betrieb im sichtbaren Frequenzbereich zu erfüllen. Ein anderer Artikel [52, 53] behauptete für Anwendungen zur Gewinnung von Solarenergie, aber Bandbreite und Betriebsbereich machen ihn im Vergleich zu anderen anfälliger.

Schlussfolgerungen

In diesem Artikel wird ein geteilter hexagonaler Metamaterial-Absorber vorgeschlagen, der sechs Au-Nanoarme auf der Basis von GaAs- und Ni-Substrat für Anwendungen zur Gewinnung von Sonnenenergie verwendet. Photoquantenanalyse und Leistungsflussverteilung zeigen mathematisch, dass die vorgeschlagene Elementarzelle eine signifikante Photonenumwandlungsmöglichkeit für Photovoltaik- oder Solarzellenanwendungen aufweist. Die Leistung des vorgeschlagenen Einheitszellen-SHPA wurde basierend auf dielektrischen Eigenschaften, Übertragungsleitungsleistung, Feld- und Leistungsverteilung, Absorption im Hinblick auf die Parameterstudie analysiert. Alle Daten wurden aus dem S-Parameter durch CST-MWS-Simulation extrahiert, was zeigt, dass DNG-Eigenschaften mit Ultrabreitband-EM-Absorption (mehr als 95 %) sowohl im sichtbaren als auch im UV-Spektrum des Lichts existieren. Die optimierte Hexa-Patch-Einheit ist eine 10 nm geteilte Lücke und eine Höhe von 90 nm für die angegebene Absorption. Die experimentelle Validierung des vorgeschlagenen Absorbers wird weiterhin ein wünschenswerter Kandidat für Energy Harvesting-Anwendungen im THz-Bereich sein.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

CDN:

Klassische Dipol-Nanoantenne

DRI:

Direkter Brechungsindex

DNG:

Doppelt negativ

EM:

Elektromagnetisch

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

GA:

Genetischer Algorithmus

PV:

Photovoltaik

SHPA:

Geteiltes hexagonales Patch-Array

UV:

Ultraviolett