Über 97 % Solarabsorption von 350–1200 nm durch Dual-High-Loss-Resonator-Design

Zusammenfassung

Effiziente breitbandige Absorption von Solarstrahlung ist für Meerwasserentsalzung, Eisschutz und andere erneuerbare Energieanwendungen erwünscht. Wir schlagen die Idee vor, zwei High-Loss-Resonanzen zu überlagern, um die Bandbreiten eines Wenig-Schichten-Absorbers zu verbreitern, der aus Dielektrikum/Metall/Dielektrikum/Metall-Schichten besteht. Sowohl Simulation als auch Experiment zeigen, dass die Struktur eine durchschnittliche Absorptionseffizienz von über 97 % bei Wellenlängen von 350 bis 1200 nm aufweist. Die Bandbreite der Absorption über 90 % beträgt bis zu 1000 nm (410–1410 nm), was größer ist als die (≤ 750 nm) früherer MIM-planarer Absorber. Besonders bleibt die durchschnittliche Absorption von 350 bis 1000 nm bei einem Einfallswinkel von bis zu 65° über 90 %, und sogar noch über 80 % bei 75°. Die winklungsunabhängige Leistung ist weit besser als die früherer Wenig-Schichten-Solarabsorber. Die flexiblen 1D nicht-edlen Metasurface-Absorber werden in einem einzigen Verdampfungsschritt hergestellt. Unter Bestrahlung einer Halogenlampe mit P = 1,2 kW/m² erhöht die flexible Metasurface ihre Oberflächentemperatur um 25,1 K von Raumtemperatur. Weitere Experimente zeigen, dass die Wärmelokalisation angesammeltes Eis schnell schmilzt. Unsere Beleuchtungsintensität (P = 1,2 kW/m²) beträgt nur die Hälfte derjenigen (P = 2,4 kW/m²) in früheren Solar-Eis-Schutz-Studien basierend auf Gold/TiO₂-Partikel-Metasurfaces, was darauf hindeutet, dass unsere Metasurface für praktische Anwendungen vorteilhafter ist. Unsere Ergebnisse veranschaulichen einen effektiven Weg zu breitbandigen Metasurface-Absorbern mit den attraktiven Eigenschaften mechanischer Flexibilität, niedriger Kosten durch nicht-edle Metalle und großflächiger Fertigung, die vielversprechende Aussichten in Anwendungen der solaren Wärmenutzung haben.

Einleitung

Ein optischer Absorber mit hoher und breitbandiger Absorption war schon lange ein wichtiges wissenschaftliches und technologisches Ziel [1-9] für viele Anwendungen, einschließlich thermophotovoltaischer [10-15], Dampferzeugung [16, 17] und Photodetektion [18]. In den letzten Jahren wurden optische Metamaterial-/Metasurface-Absorber, künstlich strukturierte Materialien aus 2D-Arrays von Subwellenlängen-Einheitszellen, breit untersucht und entwickelt [1, 2], wie dicht gepackte Nanodrähte [19], Nanoröhren [15], konische Rillen [20-22] und pyramidenförmige Designs [23, 24]. Obwohl enorme Anstrengungen zur Leistungssteigerung dieser Absorber auf Basis von 2D-Arrays unternommen wurden [25-37], behindert die Fertigungskomplexität der meisten dieser Nanostrukturen, die Elektronenstrahllithografie (EBL) [20], Fokussierte-Ionenstrahl-Fräsen (FIB) [23], Nanoimprint-Lithografie [22] oder Lithografietechnologie [24] erfordern, ihre weitere Skalierung.

Zur Lösung dieser Probleme werden 1D-Metasurfaces auf Basis des Konzepts lithografiefreier planarer Designs in den letzten Jahren intensiv untersucht [1, 5, 8, 25-27]. Kürzlich bewiesen Wissenschaftler die Absorptionsfähigkeit einiger Wenig-Schichten-Konfigurationen (wie einzelne edle Metallschicht, Isolator-Metall (IM) und Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur) [1, 8, 25-27, 38-48], die günstig für lokale Akkumulation absorbierter Wärme sind. Erstens haben einfache planare Konfigurationen auf Basis edler Metalle (wie Au und Ag) Absorptionsbandbreiten (A > 90 %) von weniger als 500 nm, da die Absorption nur durch einen Oberflächenplasmon-Polariton (SPP)-Effektmechanismus verursacht wird [1-8]. Diese SPP-basierten Absorber zeigen auch inhärent winkelabhängige Eigenschaften aufgrund der Impulsanpassungsbedingungen [1-8]. Außerdem wurden einige Absorber mit edlen Metallen auf Basis von IM oder MIM planarer Konfiguration vorgeschlagen und demonstriert, indem Fabry-Perot (FP) Resonanz genutzt wird. Für diese planaren Absorber (wie Ge/Au [48] und Ag/Si/Ag [49]) sind die Absorptionsbandbreiten (A > 80 %) jedoch allgemein kleiner als 300 nm, da nur eine FP-Resonanz genutzt wird. Gleichzeitig sind die Materialkosten edler Metalle in den meisten der oben genannten Absorber teuer [1-8, 48, 50]. Kürzlich verwendeten mehrere Gruppen nicht-edle Metalle (wie Mo oder Gr) auf Basis von MIM planaren Nanostrukturen, um optische Absorber zu demonstrieren [50, 51]. Der Mo/Al₂O₃/Mo-Absorber basierend auf einer einzelnen FP-Resonanz zeigte Absorption über 90 % von 400 bis 900 nm [50]. Der Cr/Al₂O₃/Cr-Absorber basierend auf einer FP-Resonanz zeigte Absorption über 90 % von 400 bis 1150 nm [51]. Für die meisten berichteten Wenig-Schichten planaren Absorber ist die Bandbreite Δλ_BW (A > 90 %) im sichtbaren-nahe Infrarot-Bereich kleiner als 750 nm. Gleichzeitig würde bei diesen MIM planaren Nanostrukturen basierend auf einer FP-Resonanz die durchschnittliche Absorptionseffizienz bei Wellenlängen von 400–1000 nm für einen Einfallswinkel größer als 40° unter TE-Polarisation unter 90 % fallen. Solche winkelabhängigen spektralen Eigenschaften sind ein erheblicher Nachteil, der die Absorber für praktische Anwendungen schwierig macht. Daher ist das Entwerfen und Realisieren von Wenig-Schichten nicht-edlen 1D-Metasurfaces zur Erreichung omnidirektionaler, breitbandiger und effizienter Absorption herausfordernd, aber notwendig für praktische Anwendungen.

Hier schlagen wir einen Wenig-Schichten nicht-edlen 1D-Metasurface vor und demonstrieren ihn experimentell, der zwei High-Loss-Resonatoren überlagert, um die Bandbreiten (Δλ_BW) von Absorbern zu verbreitern. Der Wenig-Schichten nicht-edle 1D-Metasurface besteht aus Dielektrikum/Metall/Dielektrikum-Dünnschichten auf einem dicken Metallfilm und umfasst zwei High-Loss-Resonatoren. Durch die Überlagerung der beiden High-Loss-Resonatoren beträgt die durchschnittliche Absorptionseffizienz unseres vorgeschlagenen Metasurface über 97 % bei Wellenlängen von 400 bis 1200 nm. Die Absorptionsbandbreite (A > 90 %) beträgt bis zu 1000 nm (410–1410 nm), was größer ist als die (Δλ_BW = 750 nm [51]) früherer MIM planaren Absorber [1-8, 48, 50]. Zudem übersteigt die durchschnittliche Absorption für einen weiten Bereich von Einfallswinkeln bis 0–65° alle 90 % bei Wellenlängen von 350 bis 1000 nm. Dies macht unsere Absorber für praktische Anwendungen vorteilhafter im Vergleich zu früheren MIM planaren Absorbern [1-8, 48, 50], bei denen die durchschnittliche Absorptionseffizienz bei Wellenlängen von 400–1000 nm für einen Einfallswinkel größer als 40° unter TE-Polarisation unter 90 % fallen würde. Der Metasurface wird durch einen einzigen Schritt Elektronenstrahlverdampfung auf einem Glassubstrat sowie einem flexiblen PET-Substrat hergestellt. Die gemessenen Absorptionsspektren des nicht-edlen Metasurface stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Aufgrund der effizienten optischen Absorption und photothermischen Energieumwandlung in der ultra-dünnen Absorptionsschicht (Dicke = 10 nm) zeigt der nicht-edle Metasurface eine Temperaturerhöhung (ΔT_e = 25,1 K), wenn er von einer Halogenlichtquelle (P = 1,2 kW/m²) beleuchtet wird. Die erhöhte Temperatur (ΔT_e = 25,1 K) ist höher als die kürzlich berichteten Solarabsorber basierend auf einer Gold-Partikel-Metasurface (ΔT_e = 12 °C unter P = 2,4 kW/m²) [48] und Gold/Nickel-Plasmonen-Metasurface (ΔT_e = 8 °C unter P = 1,2 kW/m²) [49]. Für praktische Anwendungen demonstrieren wir, dass der Metasurface in der Lage ist, Eis unter einer Halogenlichtquelle (P = 1,2 kW/m²) zu entfernen. Dies ist effizienter im Vergleich zur vorherigen Solar-Eis-Schutz-Arbeit basierend auf einer Gold/TiO₂-Partikel-Metasurface, die eine Halogenlichtquelle mit P = 2,4 kW/m² verwendet [48]. Die lithografiefreie Fertigung unseres 1D Wenig-Schichten-Metasurface ist einfach zu skalieren und erleichtert seine umfangreiche Nutzung in praktischen photo-thermischen Anwendungen.

Design und Methoden

Der entworfene 1D Wenig-Schichten-Metasurface besteht aus Isolator/Metall (High-Loss)/Isolator-Dünnschichten auf einem dicken Metallfilm, wie in Abb. 1a gezeigt. Die Dicken der oberen drei Dünnschichten sind h₁, h_m und h₂. Das einfallende Licht kann an der Dielektrikum-Luft-Grenzfläche und der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche in der IM planaren Nanostruktur hin und her reflektiert werden, wodurch ein Resonator konstruiert wird [48], wie in Abb. 1b gezeigt (Resonator 1). Die Länge von Resonator 1 beträgt h₁. Ebenso ist die Metall (High-Loss)/Isolator/Metall (High-Loss) planare Nanostruktur auch ein Resonator [49-51] (bezeichnet als Resonator 2 in Abb. 1c), und die Länge von Resonator 2 beträgt h₂. Die Resonanzbedingung der beiden Resonatoren lautet:

2 (2π/λ_res) n_i t_i + Φ_b + Φ_t = 2π m (1)

Hierin ist λ_res die Resonanzwellenlänge. n_i und t_i sind der Brechungsindex bzw. die Dicke der Isolatorschicht. m ist eine ganze Zahl, die die Ordnung des Resonanzmodus bestimmt. Φ_b und Φ_t sind die Phasenverschiebungen, die von den beiden Reflexionen erworben werden. Basierend auf Gleichung (1) wird die Resonanzwellenlänge λ_res durch Erhöhung von t_i rotverschoben. Außerdem nimmt mit zunehmender Dicke (t_i) der Isolatorschicht die Anzahl der Resonanzmoden zu. Um die Absorption zu erhöhen und die Betriebsbandbreite (Δλ_BW) der Resonatoren zu verbreitern, werden High-Loss-Metallmaterialien für beide, die obere und untere Metallschicht, eingesetzt. Wie bekannt, gibt es viele High-Loss-Materialien in der Natur, wie Ti, W und Ni. Diese Materialien sind kostengünstig. Hier wird Ti als High-Loss-Metall (zweite und vierte Schicht) gewählt. Eine MgF₂-Schicht wird als erste und dritte Schicht gewählt. Andere ähnliche Dielektrika wie SiO₂, TiO₂ und Polymere können ebenfalls als Dielektrikumsschichten verwendet werden.

Um zu beweisen, dass die Struktur in Abb. 1a zwei Resonatoren hat, werden die Absorptionsspektren der IM und MIM planaren Strukturen in Abb. 1b, c simuliert und dargestellt. Die Absorption des Metasurface kann mit der Formel A = 1 − R − T berechnet werden. Die zweidimensionale Finite-Differenzen-Zeitbereichs-Methode (FDTD) wird zur Simulation der vorgeschlagenen Struktur durchgeführt. Ein normal einfallendes Licht fällt entlang der negativen z-Richtung mit Polarisation entlang der x-Richtung ein. Die Maschengröße wird auf 1 nm gesetzt. Periodische Randbedingungen werden in x- und y-Richtung angewendet. Perfekt angepasste Schichten (PML) werden an der oberen und unteren Grenze des Modells implementiert. Für die Permittivitätswerte von Dielektrikum- und Metallmaterialien werden die experimentellen Daten in [53] verwendet. Im Experiment wird der entworfene Metasurface mit einem E-Strahl-Verdampfer hergestellt. Die optischen Transmissions (T) und Reflexions (R) Spektren des Metasurface werden mit einem Shimadzu UV3600 Spektrophotometer gemessen.

Simulationsergebnisse und Diskussion

Für die IM-Struktur in Abb. 1b wird die MgF₂/Ti planare Struktur auf dem MgF₂-Substrat platziert, und die Dicke (h_m) der Ti-Schicht beträgt 10 nm. Wie in Abb. 2a gezeigt, nimmt mit zunehmender Dicke der Dielektrikumsschicht die Anzahl der Resonanzmoden in der MgF₂/Ti-Schichtenstruktur allmählich zu, was gut mit Gleichung (1) übereinstimmt. Dies zeigt, dass die MgF₂/Ti-Schichtenstruktur in Abb. 1b ein Resonator ist [48]. Gleichzeitig können wir feststellen, dass der niedrigere Resonanzmodus (entsprechend der kleineren Dicke der Dielektrikumsschicht) eine größere Bandbreite (Δλ_BW) hat. Für die MIM-Struktur in Abb. 1c ist die Dicke (h₂) der oberen Ti-Schicht auf 10 nm ausgelegt, während das untere Ag unendlich ist, um das transmittierte Licht zu blockieren. Ebenso sehen wir offensichtliches Resonanzverhalten, und der niedrigere Resonanzmodus hat größere Bandbreite (Δλ_BW), wie in Abb. 2b gezeigt.

Um ein breitbandiges Absorptionsspektrum zu erhalten, arbeiten sowohl Resonator 1 als auch Resonator 2 im niedrigsten Resonanzmodus durch vernünftige Auswahl der Dicke (h₁ = 105 nm, h₂ = 95 nm) der beiden Dielektrikumsschichten (Phasenanpassung). Da die Reflexion der Dielektrikum-Luft-Grenzfläche und Dielektrikum-Metall-Grenzfläche relativ gering ist, hat der fundamentale Resonanzmodus einen hohen optischen Verlust. Abbildung 2c zeigt die Simulationsergebnisse der Absorption (rote durchgezogene Linie) des Metasurface über den sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängen von 350 bis 1500 nm. Aufgrund der Existenz zweier Resonatoren gibt es zwei Absorptionspeaks bei einer kürzeren Wellenlänge (ca. 470 nm) und einer längeren Wellenlänge (ca. 790 nm), wie in Abb. 2c gezeigt. Diese beiden Resonanzpeaks weichen leicht von den Resonanzpeaks der isolierten Resonatoren ab, wegen der Wechselwirkung der beiden Resonatoren. Durch die Überlagerung der Resonatoren hat der 1D Wenig-Schichten-Metasurface eine durchschnittliche Absorptionseffizienz von über 97 % bei Wellenlängen von 350–1200 nm. Die Betriebsbandbreite (A > 90 %) von Δλ_BW = 1000 nm ist größer als die (Δλ_BW ≤ 750 nm) früherer Solarabsorber basierend auf IM und MIM Strukturen [1-8].

Um den physikalischen Mechanismus der 1D Metasurface-Absorber weiter zu verifizieren, werden die Karten der Leistungsdissipationsdichteverteilungen an den beiden Absorptionspeaks berechnet, und die Ergebnisse sind in Abb. 2d dargestellt. Wie erwartet, wird das einfallende Licht hauptsächlich in der dünnen absorbierenden (High-Loss-Metall) Schicht absorbiert. Um die Effektivität und Universalität des vorgeschlagenen Strukturdesigns zu beweisen, simulieren wir auch die Leistung der Metasurfaces mit anderen High-Loss-Metallen. Zum Beispiel sind die Simulationsergebnisse der Absorption, Transmission und Reflexion der nicht-edlen Metasurfaces durch Verwendung anderer Metalle (wie W, Ni und Cr) in Zusatzdatei 1: Abb. S1 dargestellt. In der Simulation sind die Materialien der ersten und dritten Schicht MgF₂. Der Metasurface mit W hat ebenfalls eine durchschnittliche Absorption über 97 % bei Wellenlängen von 350 bis 1000 nm.

Die Absorptionsspektren von Metasurfaces mit unterschiedlichen Dicken der absorbierenden Schicht werden in Abb. 3a berechnet und diskutiert. Der Metasurface-Absorber behält seine durchschnittliche Absorption über 90 % bei Wellenlängen von 400-1200 nm in einem weiten Bereich der Dicke der dünnen absorbierenden Schicht (6 nm < d_m < 16 nm) bei. Das Ergebnis zeigt, dass eine hohe Absorptionsleistung in einem weiten Bereich der Dicke einer dünnen absorbierenden Schicht erreicht werden kann, was für eine bequeme Fertigung förderlich ist. Die vorherige Arbeit, die nur einen einzelnen Resonator verwendete, erforderte jedoch eine hochpräzise Dicke der dünnen absorbierenden Schicht für eine kritische Kopplungsbedingung, um eine effiziente Absorption zu erreichen.

Die winkel- und polarisationsabhängigkeit ist auch ein wichtiges Kriterium zur Bewertung eines optischen Absorbers, daher berechnen wir weiter seine Absorptionsspektren unter verschiedenen Einfallswinkeln für sowohl transversale elektrische (TE) als auch transversale magnetische (TM) Modi, wie in Abb. 3b, c gezeigt. Die durchschnittliche Absorption bei Wellenlängen von 350 bis 1000 nm wird ebenfalls berechnet und in Abb. 3d dargestellt. Wir sehen deutlich, dass die durchschnittliche Absorption bei Wellenlängen von 350 bis 1000 nm bei einem Einfallswinkel von bis zu 65° über 90 % gehalten wird. Ihre durchschnittliche Absorption nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel leicht ab und beträgt immer noch bis zu 80 % für Einfallswinkel bis 75° unter TE- und TM-polarisiertem Licht. Für diese früheren Wenig-Schichten planaren Nanostrukturen basierend auf einem Resonator würde die durchschnittliche Absorptionseffizienz bei Wellenlängen von 400 bis 1000 nm für einen Einfallswinkel größer als 40° unter TE-Polarisation unter 90 % fallen [1-8, 48, 50]. Diese Ergebnisse zeigen, dass dieser Metasurface die beste Leistung an Winkelunabhängigkeit im Vergleich zu früheren Wenig-Schichten planaren Absorbern [1-8] besitzt. Der Grund ist, dass die meisten früher berichteten Wenig-Schichten planaren Absorber nur auf einem Absorptionsmechanismus basieren. Die Absorption in unserem Absorber basiert jedoch auf der Überlagerung zweier High-Loss-Resonatoren. Basierend auf den simulierten Absorptionsspektren berechnen wir die solare-thermische Umwandlungseffizienz η wie folgt [52]:

Δ = E_α − E_R = (C × ∫ dλ α(λ) E_solar(λ) − ∫ dλ α(λ) E_B(λ)) / (C × ∫ dλ E_solar(λ)) (2)

wobei E_α die gesamte solare Absorptivität, E_R der thermische Strahlungsverlust, E_solar die spektrale solare Bestrahlung, E_B (λ, T_A) die Schwarzkörperstrahlung bei Temperatur T_A und C der Konzentrationsfaktor ist, der normalerweise in der Größenordnung von 1 bis 1000 liegt [52]. Die berechneten Ergebnisse werden durch die durchgezogenen Linien in Abb. 3e dargestellt. Der Absorber erreicht hohe η_{solar thermal} von > 0,9 unter TE-polarisiertem Licht mit einem Einfallswinkel von θ ≤ 60°, wie in Abb. 3e gezeigt. Gleichzeitig behält der Absorber η ≥ 0,9 unter TM-polarisiertem Licht mit einem Einfallswinkel von θ ≤ 55° bei, wie in Abb. 3e gezeigt. Diese Leistung ist besser als die früherer Solarabsorber [52]. η mit verschiedenen Einfallswinkeln in Ref. [52] wird durch die gestrichelte Linie in Abb. 3e dargestellt. Für TM-Polarisation ist η unseres Absorbers etwa 20 % höher als die des Absorbers in [52]. Diese Ergebnisse zeigen, dass die optische Absorption unseres Metasurface nicht nur breitbandig, sondern auch weitwinklig ist.

Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Zur Validierung des vorgeschlagenen 1D Metasurface-Absorbers fertigen wir den entworfenen Metasurface ausschließlich mit einem E-Strahl-Verdampfer an. Die untere Ti-Schicht (150 nm), ein MgF₂-Spacer (95 nm), eine dünne absorbierende Ti-Schicht (10 nm) und eine MgF₂-Schicht (105 nm) werden auf einem Glassubstrat abgeschieden. Das Bild des hergestellten Absorbers ist in Abb. 4a dargestellt, und wir können beobachten, dass die Probe vollständig schwarz ist. Anschließend werden die optischen Transmissions (T) und Reflexions (R) Spektren des Metasurface bei Wellenlängen von 350–1500 nm mit einem Shimadzu UV3600 Spektrophotometer mit Integrationskugel (ISR-3100) gemessen. Die Absorption (A) wird dann durch A = 1−R−T berechnet. Deutlich sehen wir ein breitbandiges Absorptionsspektrum mit zwei Absorptionspeaks, das eine gute Übereinstimmung zwischen Simulationsergebnissen in Abb. 2c und Experimentellergebnissen in Abb. 4b zeigt. Die durchschnittliche Absorption der Experimentellergebnisse beträgt über 97 % bei Wellenlängen von 350 bis 1200 nm. Die BW (Δλ_BW) der Absorption über 90 % beträgt bis zu 1030 nm (350 nm-1380 nm), was größer ist als die (Δλ_BW = 750 nm [51]) früher berichteter IM und MIM planarer Absorber [2-17].

Zusätzlich deponieren wir die Metasurface-Struktur auch auf einem flexiblen (PE, Polyethylen) Substrat, und Abb. 4c zeigt das Bild der hergestellten flexiblen Probe, die ebenfalls schwarz ist. Die optischen Eigenschaften der flexiblen Probe werden ebenfalls gemessen und in Abb. 4d dargestellt, und eine durchschnittliche Absorption über 95 % bei Wellenlängen von 350–1100 nm wird erzielt. Der Grund für den kleinen Absorptionsunterschied bei kürzeren Wellenlängen zwischen Abb. 4b, d ist, dass es etwas schwierig ist, die hochpräzise Dicke von Metall/Dielektrikum in den Abscheidungsprozessen sicherzustellen. Wie in Abb. 4e gezeigt, messen wir auch die Absorptionsspektren unter verschiedenen Einfallswinkeln mit unpolarisiertem Licht. Die Experimentellergebnisse zeigen, dass unser Absorber unempfindlich gegenüber dem Einfallswinkel ist, was mit den Simulationsergebnissen konsistent ist. Die gemessene durchschnittliche Absorption im Bereich von 350 bis 1000 nm bei verschiedenen Einfallswinkeln von 0° bis 70° ist ebenfalls in Abb. 4f dargestellt. Die gemessene durchschnittliche Absorption bei Wellenlängen von 350 nm-1000 nm bleibt bei einem Einfallswinkel von bis zu 65° über 90 %, was gut mit dem Simulationsergebnis in Abb. 3d übereinstimmt. Beachten Sie, dass für diese berichteten Wenig-Schichten planaren Nanostrukturen basierend auf einem Resonator die durchschnittliche Absorptionseffizienz bei Wellenlängen von 400 bis 1000 nm für Einfallswinkel größer als 40° unter TE-Polarisation unter 90 % fallen würde [1-8, 48, 50].

Zur weiteren Bewertung des Potenzials unseres Metasurface in photo-thermischen Anwendungen charakterisieren wir auch seine Licht-Erwärmungseigenschaft. Wir verwenden eine breitbandige Halogenlichtquelle und zeichnen dann die erhöhte Temperatur einer Metasurface-Probe mit einem XINTEST-HT18 Infrarotthermometer auf. Die Leistung der Halogenlichtquelle wird in den folgenden Experimenten mit einem XINBAO-SM206 Photometer gemessen. Aus Abb. 5a ist deutlich zu sehen, dass die erzeugten Wärmen stark um die Metasurface-Probe herum begrenzt sind. Die flexible Metasurface erhöht ihre Oberflächentemperatur um 25,1 K von Raumtemperatur unter der Halogenlichtquelle von P = 1,2 kW/m². Die Erhöhung der Oberflächentemperatur ist höher als die der kürzlich berichteten Solarabsorber basierend auf einer Gold-Partikel-Metasurface (A = 83 %, ΔT_e = 12 °C, P = 2,4 kW/m²) [54] und Gold/Nickel-Plasmonen-Metasurface (ΔT_e = 8 °C, P = 1 kW/m²) [55]. Darüber hinaus zeigen Abb. 5b, c repräsentative Bildsequenzen eines gefrorenen Wassertropfens auf einer Metasurface- und Glasprobe. Zunächst wird ein einzelner Wassertropfen auf die Oberfläche einer Metasurface und eines Glases deponiert und gefroren. Dann beleuchtet eine Halogenlampe (P ≈ 1,2 kW/m²) die Oberfläche mit dem gefrorenen Tropfen, der an der Metasurface oder dem Glas haftet. Für die Metasurface-Probe beginnt der Tropfen nach 40 s zu rutschen und wird innerhalb von ca. 75 s vollständig entfernt. Im Gegensatz dazu sind keine Veränderungen des gefrorenen Tropfens für das Glas unter derselben Beleuchtung zu sehen. Beachten Sie, dass die Beleuchtungsintensität (P = 1,2 kW/m²) des einfallenden Lichts in unserer Arbeit nur halb so hoch ist wie die (P = 2,4 kW/m²) in früheren Solar-Eis-Schutz-Studien basierend auf Gold/TiO₂-Partikel-Metasurfaces [54], was darauf hindeutet, dass unser Metasurface für praktische Anwendungen vorteilhafter ist.

Fazit

Zusammenfassend wurde eine effiziente Designstrategie vorgeschlagen, um breitbandige Absorber auf Basis von 1D nicht-edlen Metasurfaces zu erreichen, bestehend aus Dielektrikum/Metall/Dielektrikum/Metall-Schichten. Durch die Überlagerung zweier High-Loss-Resonatoren wurde eine durchschnittliche Absorption über 97 % bei Wellenlängen von 350–1200 nm erreicht. Die Bandbreite der Absorption über 90 % betrug bis zu 1000 nm (410–1410 nm), was größer war als die (≤ 750 nm) früherer MIM planarer Absorber [1, 5, 8, 25-27]. Der Metasurface wurde durch eine einfache E-Strahl-Abscheidungsmethode hergestellt, was die Möglichkeit großflächiger Anwendungen bietet. Simulations- und Experimentellergebnisse zeigten, dass die breitbandige Absorption unserer Absorber bei einem Einfallswinkel von bis zu 65° im Bereich von 350 bis 1000 nm über 90 % gehalten wurde. Für frühere Wenig-Schichten planare Absorber würde die durchschnittliche Absorptionseffizienz bei Wellenlängen von 400 bis 1000 nm für einen Einfallswinkel größer als 40° unter TE-Polarisation unter 90 % fallen [1-8, 48, 50]. Zusätzlich wurde die Flexibilität durch Abscheidung des Metasurface auf einem flexiblen Substrat demonstriert. Die flexible Metasurface erhöhte ihre Oberflächentemperatur um 25,1 K von Raumtemperatur unter einer Halogenlampe von P = 1,2 kW/m². Für praktische Anwendungen untersuchten wir die Fähigkeit der flexiblen Metasurface zur Eisentfernung unter einer Halogenlampe von P = 1,2 kW/m². Dieser 1D Metasurface mit breitbandiger und effizienter Absorption könnte potenzielle Anwendungen in solarenergiegetriebener Eisschutz haben.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf vernünftige Anfrage bei den korrespondierenden Autoren verfügbar.

Abkürzungen

BW:

Bandbreiten

FDTD:

Finite-Differenzen-Zeitbereich

IM:

Isolator-Metall

MIM:

Metall-Isolator-Metall