Ampliación de los anchos de banda de absorbentes de pocas capas superponiendo dos resonadores de alta pérdida

Resultados de la simulación y discusión

Para la estructura de IM en la Fig. 1b, el MgF ₂ / La estructura plana de Ti se coloca en el MgF ₂ sustrato y el espesor ( h _m ) de la capa de Ti es de 10 nm. Como se muestra en la Fig. 2a, con el aumento del espesor de la capa dieléctrica, se puede observar el número de modos de resonancia en el MgF ₂ / La estructura de capas de Ti aumenta gradualmente, concordando bien con la Ec. (1). Esto indica que el MgF ₂ / La estructura de capas de Ti en la Fig. 1b es un resonador [48]. Mientras tanto, también podemos encontrar que el modo de resonancia más bajo (correspondiente al menor espesor de la capa dieléctrica) tiene un ancho de banda mayor (∆ λ _BW ). Para la estructura MIM en la Fig. 1c, el espesor ( h ₂ ) de la capa superior de Ti está diseñado para ser de 10 nm, mientras que el Ag inferior es infinito para bloquear la luz transmitida. De manera similar, podemos ver el comportamiento de resonancia obvio, y el modo de resonancia de orden inferior tiene un ancho de banda mayor (∆ λ _BW ), como se muestra en la Fig. 2b.

un Espectros de absorción simulados de la estructura de MgF ₂ / Ti / MgF ₂ capas con diferentes h ₁ . b Espectros de absorción simulados de la estructura de Ti / MgF ₂ / Ti capas con diferentes h ₂ . c Espectros de absorción / transmisión / reflexión simulados de la estructura de metasuperficie que consta de MgF ₂ / Ti / MgF ₂ / Capas de Ti sobre un sustrato. d Cálculos de densidad de disipación de potencia para la estructura en las longitudes de onda de dos picos de absorción

Para obtener un espectro de absorción de banda ancha, tanto el Resonador 1 como el Resonador 2 operan en el modo resonante de orden más bajo seleccionando razonablemente el grosor ( h ₁ =105 millas náuticas, h ₂ =95 nm) de las dos capas dieléctricas (coincidencia de fase). Dado que la reflectividad de la interfaz dieléctrico-aire y la interfaz dieléctrico-metal es relativamente baja, el modo resonante fundamental tiene una alta pérdida óptica. La Figura 2c traza los resultados de la simulación de la absorción (línea sólida roja) de la metasuperficie sobre las longitudes de onda visible e infrarroja cercana que van desde 350 a 1500 nm. Debido a la existencia de dos resonadores, hay dos picos de absorción en una longitud de onda más corta (alrededor de 470 nm) y una longitud de onda más larga (alrededor de 790 nm), como se muestra en la Fig. 2c. Estos dos picos resonantes se desvían ligeramente de los picos resonantes de los resonadores aislados, debido a la interacción de los dos resonadores. Debido a la superposición de los resonadores, la metasuperficie 1D de pocas capas tiene una eficiencia de absorción promedio superior al 97% a longitudes de onda de 350 a 1200 nm. El ancho de banda operativo ( A > 90%) de ∆ λ _BW =1000 nm es mayor que los (∆ λ _BW ≤ 750 nm) de los absorbedores solares anteriores basados ​​en estructuras IM y MIM [1,2,3,4,5,6,7,8].

Para verificar aún más el mecanismo físico de los absorbedores de metasuperficie 1D, se calculan los mapas de distribuciones de densidad de disipación de potencia en los dos picos de absorción, y los resultados se muestran en la Fig. 2d. Como era de esperar, la luz incidente se absorbe principalmente en la fina capa absorbente (metal de alta pérdida). Además, para demostrar la efectividad y universalidad del diseño estructural propuesto, también simulamos el desempeño de las metasuperficies por otros metales de alta pérdida. Por ejemplo, los resultados de la simulación de la absorción, transmisión y reflexión de las metasuperficies no nobles mediante el uso de otros metales (como W, Ni y Cr) se muestran en el archivo adicional 1:Fig. S1. En la simulación, los materiales de la primera y tercera capa son MgF ₂ . La metasuperficie al usar W también tiene una absorción promedio superior al 97% en longitudes de onda que van de 350 a 1000 nm.

Los espectros de absorción de metasuperficies con diferentes espesores de la capa absorbente se calculan y comentan en la Fig. 3a. El absorbente de metasuperficie mantiene su absorción promedio por encima del 90% a longitudes de onda de 400-1200 nm dentro de un amplio rango del espesor de la capa absorbente delgada (6 nm < d _m <16 nm). El resultado indica que se puede lograr un alto rendimiento de absorción en una amplia gama de espesores de una capa absorbente delgada, que es propicia para una fabricación conveniente. Sin embargo, el trabajo anterior utilizando solo un resonador requiere un espesor de alta precisión de la capa absorbente delgada para una condición crítica de acoplamiento para lograr una absorción eficiente.

un Espectros de absorción simulados de la estructura de metasuperficie con diferentes h _m . b - c Espectros de absorción dependientes del ángulo del absorbente de metasuperficie bajo b TE-polarizado y c Luces polarizadas TM, respectivamente. d Absorbancia promedio que varía de 350 a 1000 nm en varios ángulos de incidencia de 0 ° a 80 ° de luces polarizadas TE y polarizadas TM. e Eficiencias calculadas de energía solar a térmica ( C =1000) en varios ángulos de incidencia de 0 ° a 80 ° de luz polarizada TE y polarizada TM

Las dependencias de ángulo y polarización también son un criterio importante para evaluar un absorbedor óptico, por lo que calculamos sus espectros de absorción bajo diferentes ángulos de incidencia para los modos eléctrico transversal (TE) y magnético transversal (TM), como se muestra en la Fig. 3b, c . La absorción promedio en longitudes de onda que van desde 350 a 1000 nm también se calcula y se representa en la Fig. 3d. Podemos ver claramente que la absorción promedio en longitudes de onda que van desde 350 a 1000 nm se mantiene por encima del 90% en un ángulo de incidencia de hasta 65 °. Su absorción promedio disminuye levemente con el aumento de los ángulos de incidencia y aún es de hasta un 80% para ángulos de incidencia de hasta 75 ° bajo luz polarizada en TE y polarizada en TM. Para estas nanoestructuras planas de pocas capas anteriores basadas en un resonador, la eficiencia de absorción promedio en longitudes de onda que van de 400 a 1000 nm caería por debajo del 90% para un ángulo de incidencia mayor de 40 ° bajo la incidencia de polarización TE. [1,2,3 , 4, 5, 6, 7, 8, 48, 50]. Estos resultados muestran que esta metasuperficie posee el mejor desempeño de independencia angular en comparación con absorbedores planos de pocas capas anteriores [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8]. La razón es que la mayoría de los absorbentes planos de pocas capas informados anteriormente se basan en un solo tipo de mecanismos de absorción. Sin embargo, la absorción en nuestro absorbedor se basa en la superposición de dos resonadores de alta pérdida. Basándonos en los espectros de absorción simulados, calculamos la eficiencia de conversión solar a térmica ƞ , de la siguiente manera [52]

donde E _α es la absorbancia solar total; E _R es la pérdida de radiación térmica; E _solar es la irradiación solar espectral; E _B ( λ , T _A ) es la radiación del cuerpo negro a una temperatura T _A ; y C es el factor de concentración que suele ser del orden de 1 a 1000 [52]. Los resultados calculados se muestran con líneas continuas en la Fig. 3e. El absorbedor tiene un alto rendimiento ƞ _{solar térmica} de> 0,9 bajo una luz polarizada TE con un ángulo de incidencia de θ <=60 °, como se muestra en la Fig. 3e. Mientras tanto, el absorbedor permanece ƞ > =0.9 bajo una luz polarizada TM con un ángulo de incidencia de θ <=55 °, como se muestra en la Fig. 3e. Este rendimiento es mejor que el de los absorbedores solares anteriores [52]. ƞ con varios ángulos de incidencia en la Ref. [52] está representado por la línea de puntos en la Fig. 3e. Para la polarización TM, el ƞ de nuestro absorbente es aproximadamente un 20% más alto que el del absorbente en [52]. Estos resultados revelan que la absorción óptica de nuestra metasuperficie no es solo de banda ancha sino también de gran angular.

Discusión y resultados experimentales

Para validar el absorbedor de metasuperficie 1D propuesto, fabricamos la metasuperficie diseñada utilizando solo un evaporador de haz E. La capa inferior de Ti (150 nm), un espaciador de MgF ₂ (95 nm), una capa fina de absorción de Ti (10 nm) y un MgF ₂ capa (105 nm) se depositan sobre un sustrato de vidrio. La imagen del absorbedor fabricado se muestra en la Fig. 4a, y podemos observar que la muestra es toda negra. A continuación, la transmisión óptica ( T ) y los espectros de reflexión (R) de la metasuperficie se miden a longitudes de onda de 350 a 1500 nm con un espectrofotómetro Shimadzu UV3600 acoplado a la esfera integradora (ISR-3100). La absorción ( A ) luego se calcula con A =1– R - T . Claramente, vemos un espectro de absorción de banda ancha con dos picos de absorción, mostrando una buena concordancia entre los resultados de la simulación en la Fig. 2c y los resultados del experimento en la Fig. 4b. La absorción media de los resultados del experimento es superior al 97% en longitudes de onda de 350 a 1200 nm. El BW (∆ λ _BW ) de la absorción superior al 90% es de hasta 1030 nm (350 nm-1380 nm), que es mayor que (∆ λ _BW =750 nm [51]) del absorbedor plano IM y MIM previamente informado [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].

un Fotografía de la metasuperficie sobre un sustrato de vidrio. b Espectros experimentales de absorción / transmisión / reflexión de una estructura de metasuperficie. c Fotografía de una metasuperficie flexible sobre un sustrato de PE. d Espectros experimentales de absorción / transmisión / reflexión de una metasuperficie flexible. e Espectros experimentales de absorción dependientes del ángulo de un absorbente de metasuperficie bajo una luz no polarizada. f Absorción promedio experimental en longitudes de onda que van desde 350 a 1000 nm en varios ángulos de incidencia de 0 ° a 70 ° de una luz no polarizada

Además, también depositamos la estructura de metasuperficie sobre un sustrato flexible (PE, polietileno), y la Fig. 4c representa la imagen de la muestra flexible fabricada, que también es negra. Las propiedades ópticas de la muestra flexible también se miden y se muestran en la Fig. 4d, y se obtiene una absorción promedio superior al 95% a longitudes de onda de 350-1100 nm. La razón de la pequeña diferencia de absorción a longitudes de onda más cortas entre las Fig. 4b, d es que es un poco difícil asegurar su espesor de metal / dieléctrico de alta precisión en los procesos de deposición. Como se muestra en la Fig. 4e, también medimos los espectros de absorción bajo diferentes ángulos de incidencia con luz no polarizada. Los resultados del experimento muestran que nuestro absorbedor es insensible al ángulo de incidencia, lo que es consistente con los resultados de la simulación. La absorción promedio medida que varía de 350 a 1000 nm en varios ángulos de incidencia de 0 ° a 70 ° también se muestra en la Fig. 4f. de hasta 65 °, lo que concuerda con el resultado de la simulación de la Fig. 3d. Tenga en cuenta que, para estas nanoestructuras planas de pocas capas informadas basadas en un resonador, la eficiencia de absorción promedio en longitudes de onda que van de 400 a 1000 nm caería por debajo del 90% para ángulos de incidencia mayores de 40 ° bajo la incidencia de polarización TE. [1,2 , 3,4,5,6,7,8, 48, 50]

Para evaluar más a fondo el potencial de nuestra metasuperficie en aplicaciones fototérmicas, también caracterizamos su propiedad de calentamiento de la luz. Usamos una fuente de luz halógena de banda ancha y luego registramos el aumento de temperatura de una muestra de metasuperficie con un termómetro infrarrojo XINTEST-HT18. La potencia de la fuente de luz halógena se mide con un fotómetro XINBAO-SM206 en el siguiente experimento. En la Fig. 5a, puede verse claramente que los calores generados están muy confinados alrededor de la muestra de metasuperficie. La metasuperficie flexible aumenta la temperatura de su superficie en 25,1 K desde la temperatura ambiente bajo la luz halógena de P =1,2 kW / m ² . El aumento de la temperatura de la superficie es más alto que el de los absorbentes solares recientemente reportados basados ​​en una metasuperficie de partículas de oro ( A =83%, ∆ T _e =12 ° C, P =2,4 kW / m ² ) [54] y metasuperficie plasmónica de oro / níquel (∆ T _e =8 ° C, P =1kw / m ² ) [55] Además, la Fig. 5b, c muestra secuencias de imágenes representativas de una gota de agua congelada en una metasuperficie y muestras de vidrio. En primer lugar, se deposita una sola gota de agua y se congela en la superficie de una metasuperficie y un vidrio. Luego, una luz de lámpara halógena ( P ≈ 1,2 kW / m ² ) ilumina la superficie con la gota congelada adherida a la metasuperficie o al vidrio. Para la muestra de metasuperficie, la gota comienza a deslizarse después de 40 s, y se elimina por completo en aproximadamente 75 s. Por el contrario, no se ven cambios de la gota congelada para el vidrio bajo la misma iluminación. Tenga en cuenta que, la intensidad de la iluminación ( P =1,2 kW / m ² ) de la luz incidente en nuestro trabajo es solo la mitad de eso ( P =2,4 kW / m ² ) en estudios previos de antihielo solar basados ​​en oro / TiO ₂ metasuperficies de partículas [54], lo que indica que nuestra metasuperficie es más ventajosa para aplicaciones prácticas.

un Imagen térmica de un absorbente de metasuperficie. b Instantáneas representativas de una gota de agua congelada en una metasuperficie iluminada y un vidrio

Conclusiones

En resumen, se propuso una estrategia de diseño eficiente para lograr absorbentes de banda ancha basados ​​en metasuperficie no noble 1D, que consta de capas dieléctricas / metálicas / dieléctricas / metálicas. Debido a la superposición de dos resonadores de alta pérdida, se logró una absorción promedio superior al 97% a longitudes de onda de 350 a 1200 nm. El ancho de banda de la absorción superior al 90% fue de hasta 1000 nm (410–1410 nm), que fue mayor que el (≤ 750 nm) de los absorbedores planos MIM anteriores [1, 5, 8, 25,26,27]. La metasuperficie se fabricó mediante un método simple de deposición de haz E, lo que brinda la posibilidad de aplicaciones en áreas grandes. Los resultados de la simulación y el experimento mostraron que la absorción de banda ancha de nuestros absorbedores se mantuvo por encima del 90% en un ángulo de incidencia tan alto como 65 ° en el rango de 350 a 1000 nm. Para los absorbedores planos de pocas capas anteriores, la eficiencia de absorción promedio en longitudes de onda que van de 400 a 1000 nm caería por debajo del 90% para un ángulo de incidencia mayor de 40 ° bajo una incidencia de polarización TE. [1,2,3,4,5 , 6, 7, 8, 48, 50]. Además, la flexibilidad también se demostró depositando la metasuperficie sobre un sustrato flexible. La metasuperficie flexible aumentó la temperatura de su superficie en 25,1 K desde la temperatura ambiente bajo una lámpara halógena de P =1,2 kW / m ² . Para aplicaciones prácticas, investigamos la capacidad de la metasuperficie flexible para eliminar hielo bajo una lámpara halógena de P =1,2 kW / m ² . Esta metasuperficie 1D con banda ancha y absorción eficiente podría tener aplicaciones potenciales en la fobia al hielo impulsada por la energía solar.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados durante y / o analizados durante el estudio actual están disponibles de los autores correspondientes a solicitud razonable.

Abreviaturas

BW:

anchos de banda

FDTD:

dominio de tiempo de diferencia finita

MI:

aislante – metal

MIM:

metal-aislante-metal

Modelo analítico para la temperatura máxima del canal en MOSFET de Ga2O3 Fabricación fácil de nanopartículas BiF3:Ln (Ln =Gd, Yb, Er) @PVP para imágenes de tomografía computarizada de alta eficiencia