Ampliando a largura de banda de absorvedores de poucas camadas sobrepondo dois ressonadores de alta perda

Resumo

A absorção eficiente de banda larga da radiação solar é desejada para a dessalinização da água do mar, a fobicidade do gelo e outras aplicações de energia renovável. Propomos a ideia de sobrepor duas ressonâncias de alta perda para ampliar as larguras de banda de um absorvedor de poucas camadas, que é feito de camadas dielétrico / metal / dielétrico / metal. Tanto a simulação quanto o experimento mostram que a estrutura tem uma eficiência de absorção média superior a 97% em comprimentos de onda que variam de 350 a 1200 nm. A largura de banda de absorção maior que 90% é de até 1000 nm (410–1410 nm), que é maior do que (≤ 750 nm) dos absorvedores planares MIM anteriores. Especialmente, a absorção média de 350 a 1000 nm é mantida acima de 90% em um ângulo de incidência tão alto quanto 65 °, entretanto ainda mantida acima de 80%, mesmo em um ângulo de incidência de 75 °. O desempenho da insensibilidade angular é muito melhor do que os absorvedores solares de poucas camadas anteriores. Os absorvedores de metassuperfície não-óbvios 1D flexíveis são fabricados em uma única etapa de evaporação. Sob a iluminação de uma lâmpada halógena de P =1,2 kW / m ² , a metassuperfície flexível aumenta sua temperatura de superfície em 25,1 K em relação à temperatura ambiente. Outras experiências demonstram que a localização do calor derrete rapidamente o gelo acumulado. Nossa intensidade de iluminação ( P =1,2 kW / m ² ) é apenas metade disso ( P =2,4 kW / m ² ) em estudos anti-gelo solares anteriores baseados em ouro / TiO ₂ metassuperfície de partículas, indicando que nossa metassuperfície é mais vantajosa para aplicações práticas. Nossos resultados ilustram um caminho efetivo em direção aos absorvedores de metassuperfície de banda larga com as propriedades atrativas de flexibilidade mecânica, baixo custo dos metais nobres e fabricações em grandes áreas, que apresentam perspectivas promissoras nas aplicações de utilização do calor solar.

Introdução

Um absorvedor óptico com uma absorção alta e ampla tem sido um dos principais objetivos científicos e tecnológicos [1,2,3,4,5,6,7,8,9] para muitas aplicações, incluindo fotovoltaica térmica [10,11,12 , 13,14,15], geração de vapor [16, 17] e fotodetecção [18]. Nos últimos anos, o metamaterial óptico / absorvedores de metassuperfície, materiais artificialmente estruturados feitos de matrizes 2D de células unitárias de sub-onda, foram amplamente investigados e desenvolvidos [1, 2], como nanofios densamente compactados [19], nanotubos [15], ranhuras cônicas [20,21,22] e desenhos piramidais [23, 24]. Embora enormes esforços sejam feitos para melhorar o desempenho desses absorvedores com base em matrizes 2D [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37], a complexidade de fabricação da maioria dessas nanoestruturas , exigindo litografia por feixe de elétrons (EBL) [20], moagem por feixe de íons focados (FIB) [23], litografia de nanoimpressão [22] ou tecnologia de litografia [24], impede seu aumento de escala.

Para resolver esses problemas, metassuperfícies 1D baseadas no conceito de desenhos planares livres de litografia tornaram-se um tópico de intensas investigações nos últimos anos [1, 5, 8, 25,26,27]. Recentemente, os cientistas provaram a capacidade de absorção de algumas configurações de poucas camadas (como uma única camada de metal nobre, isolador-metal (IM) e estrutura metal-isolante-metal (MIM)) [1, 8, 25,26,27, 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48], que são favoráveis ​​ao acúmulo local de calor absorvido. Em primeiro lugar, para as configurações planas simples baseadas em metais nobres (como Au e Ag), as larguras de banda de absorção ( A > 90%) são menores que 500 nm porque a absorção é causada apenas por um mecanismo de efeito de polaritons de plasmon de superfície (SPP) [1,2,3,4,5,6,7,8]. Esses absorvedores com base no efeito SPP também mostram propriedades dependentes do ângulo inatamente devido às condições de casamento de momento [1,2,3,4,5,6,7,8]. Além disso, alguns absorvedores usando metais nobres baseados na configuração planar IM ou MIM também foram propostos e demonstrados usando ressonância Fabry-Perot (FP). No entanto, para esses absorvedores planos (como Ge / Au [48] e Ag / Si / Ag [49]), as larguras de banda de absorção ( A > 80%) são geralmente inferiores a 300 nm devido à utilização de apenas uma ressonância FP. Enquanto isso, o custo do material de metal nobre na maioria dos absorvedores acima mencionados é caro [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. Recentemente, vários grupos usaram metais não nobres (como Mo ou Gr) com base em nanoestruturas planas MIM para demonstrar absorvedores ópticos [50, 51]. The Mo / Al ₂ O ₃ / O absorvedor de Mo com base em uma única ressonância Febry-Perot (FP) mostrou absorção acima de 90% de 400 a 900 nm [50]. The Cr / Al ₂ O ₃ / O absorvedor de Cr com base em uma ressonância FP mostrou absorção acima de 90% de 400 a 1150 nm [51]. Para a maioria dos absorvedores planos de poucas camadas relatados, a largura de banda ∆ λ _BW (A> 90%) nos comprimentos de onda do infravermelho próximo do visível é menor que 750 nm. Enquanto isso, para essas nanoestruturas planares MIM com base em uma ressonância FP, a eficiência de absorção média em comprimentos de onda de 400-1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo de incidência maior que 40 ° sob uma incidência de TE-polarização. Tal característica espectral dependente do ângulo é uma desvantagem significativa, o que torna os absorvedores difíceis de serem aplicados em usos práticos. Assim, projetar e realizar metassuperfícies 1D não nobres de poucas camadas para obter absorção omnidirecional, de banda larga e eficiente são desafiadores, mas necessários para aplicações práticas.

Aqui, propomos e demonstramos experimentalmente uma metassuperfície 1D não nobre de poucas camadas, que sobrepõe dois ressonadores de alta perda para ampliar as larguras de banda (∆ λ _BW ) de absorventes. A metassuperfície 1D não nobre de poucas camadas é dielétrica / metal / dielétrica camadas finas em um filme de metal espesso e é composta por dois ressonadores de alta perda. Devido à sobreposição dos dois ressonadores de alta perda, a eficiência média de absorção de nossa meta-superfície proposta é acima de 97% em comprimentos de onda de 400 a 1200 nm. As larguras de banda de absorção ( A > 90%) é de até 1000 nm (410–1410 nm), que é maior do que (∆ λ _BW =750 nm [51]) de absorvedores planares MIM anteriores [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. Além disso, a absorção média para uma ampla faixa de ângulos incidentes de 0–65 ° ultrapassa 90% em comprimentos de onda que variam de 350 a 1000 nm. Isso torna nossos absorvedores mais benéficos para aplicações práticas em comparação com absorvedores planares MIM anteriores [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50], dos quais a eficiência média de absorção em comprimentos de onda de 400-1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo incidente maior que 40 ° sob a incidência de polarização TE. A metassuperfície é fabricada por uma única etapa de deposição de vapor de feixe de elétrons em um substrato de vidro, bem como em um substrato PET flexível. Os espectros de absorção medidos da metassuperfície não nobre combinam bem com os resultados da simulação. Devido à absorção óptica eficiente e conversão de energia fototérmica na camada de absorção ultrafina (espessura =10 nm), a metassuperfície não nobre exibe um aumento de temperatura (ΔTe =25,1 K) quando é iluminada por uma fonte de luz halógena ( P =1,2 kW / m ² ) O aumento da temperatura (ΔTe =25,1 K) é maior do que a dos absorvedores solares relatados recentemente com base em uma metassuperfície de partículas de ouro (ΔTe =12 ° C sob P =2,4 kW / m ² ) [48] e metassuperfície plasmônica de ouro / níquel (ΔTe =8 ° C sob P =1,2 kW / m ² ) [49]. Para aplicações práticas, demonstramos que a metassuperfície é capaz de remover gelo sob uma fonte de luz halógena ( P =1,2 kW / m ² ) Isso é mais eficiente em comparação com o trabalho antigelo solar anterior com base em ouro / TiO ₂ metassuperfície de partículas usando uma fonte de luz halógena com P =2,4 kW / m ² [48]. A fabricação sem litografia de nossa metassuperfície de poucas camadas 1D é fácil de dimensionar, facilitando seu uso extensivo em aplicações fototérmicas práticas.

Design e métodos

A metassuperfície de poucas camadas projetada em 1D consiste em camadas finas de isolador / metal (alta perda) / isolante em um filme de metal espesso, como mostrado na Fig. 1a. As espessuras das três camadas finas superiores são h ₁ , h _m , e, h ₂ , respectivamente. A luz iluminante pode ser refletida para frente e para trás da interface dielétrico-ar e da interface dielétrico-metal na nanoestrutura plana IM, construindo um ressonador [48], como mostrado na Fig. 1b (Ressonador 1). O comprimento do Resonator 1 é h ₁ . Da mesma forma, a nanoestrutura plana de metal (alta perda) / isolador / metal (alta perda) também é um ressonador [49,50,51] (denotado pelo Ressonador 2 na Fig. 1c), e o comprimento do Ressonador 2 é h ₂ . A condição ressonante dos dois ressonadores é
$$ 2 \ left ({\ frac {2 \ pi} {{{\ lambda _ {{\ text {res}}}}}}} \ right) {n_i} {t_i} + {\ emptyset_b} + {\ emptyset_t} =2 \ pi m $$ (1)
Projeto de metasuperfícies 1D de poucas camadas

Aqui, λ _res é o comprimento de onda de ressonância. n _i e t _i são o índice de refração e a espessura da camada isolante, respectivamente. m é um número inteiro que determina a ordem do modo ressonante. Φ _b e Φ _t são as mudanças de fase adquiridas a partir de duas reflexões. Com base na Eq. (1), aumentando t _i , o comprimento de onda ressonante λ _res vai mudar para o vermelho. Além disso, com o aumento da espessura ( t _i ) da camada isolante, o número de modos ressonantes aumentará. Para aumentar a absorção e alargar a largura de banda de operação (∆ λ _BW ) de ressonadores, materiais de metal de alta perda são empregados para as camadas de metal superior e inferior. Como todos sabemos, existem muitos materiais de alta perda na natureza, como Ti, W e Ni. Esses materiais são baratos. Aqui, o Ti é escolhido como o metal de alta perda (a segunda camada e a quarta camada). Um MgF ₂ camada é escolhida como a primeira e a terceira camadas. Outros dielétricos semelhantes, como SiO ₂ , TiO ₂ , e polímeros também podem ser usados ​​como as camadas dielétricas.

Para provar que a estrutura na Fig. 1a tem dois ressonadores, os espectros de absorção das estruturas planas IM e MIM na Fig. 1b, c são simulados e representados, respectivamente. A absorção da metassuperfície pode ser calculada usando uma fórmula de A =1 - R - T . O método bidimensional de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é realizado para simular a estrutura proposta. Uma luz normalmente incidente é incidente ao longo da direção z negativa com a polarização ao longo da direção x. O tamanho da malha é definido como 1 nm. As condições de contorno periódicas são aplicadas nas direções xey. Camadas perfeitamente combinadas (PML) são implementadas nos limites superior e inferior do modelo. Para os valores de permissividade de materiais dielétricos e metálicos, os dados experimentais em [53] são empregados. No experimento, a metassuperfície projetada é fabricada usando um evaporador de feixe E. Os espectros de transmissão óptica (T) e reflexão (R) da metassuperfície são medidos por um espectrofotômetro Shimadzu UV3600.

Resultados e discussão da simulação

Para a estrutura IM na Fig. 1b, o MgF ₂ / A estrutura plana Ti é colocada no MgF ₂ substrato, e a espessura ( h _m ) da camada de Ti é de 10 nm. Conforme mostrado na Fig. 2a, com o aumento da espessura da camada dielétrica, pode-se observar o número de modos de ressonância no MgF ₂ / A estrutura das camadas de Ti aumenta gradualmente, concordando bem com a Eq. (1). Isso indica que o MgF ₂ / Estrutura de camadas de Ti na Fig. 1b é um ressonador [48]. Enquanto isso, também podemos descobrir que o modo de ressonância inferior (correspondendo à menor espessura da camada dielétrica) tem largura de banda maior (∆ λ _BW ) Para a estrutura MIM na Fig. 1c, a espessura ( h ₂ ) da camada superior de Ti é projetado para ser de 10 nm, enquanto o Ag inferior é infinito para bloquear a luz transmitida. Da mesma forma, podemos ver o comportamento de ressonância óbvio, e o modo de ressonância de ordem inferior tem largura de banda maior (∆ λ _BW ), como mostrado na Fig. 2b.

a Espectros de absorção simulados da estrutura de MgF ₂ / Ti / MgF ₂ camadas com diferentes h ₁ . b Espectros de absorção simulados da estrutura de Ti / MgF ₂ Camadas / Ti com diferentes h ₂ . c Espectros simulados de absorção / transmissão / reflexão da estrutura da metassuperfície que consiste em MgF ₂ / Ti / MgF ₂ / Camadas de Ti em um substrato. d Cálculos de densidade de dissipação de energia para a estrutura nos comprimentos de onda de dois picos de absorção

A fim de obter um espectro de absorção de banda larga, tanto o Ressonador 1 quanto o Ressonador 2 operam no modo ressonante de ordem mais baixa selecionando razoável a espessura ( h ₁ =105 nm, h ₂ =95 nm) das duas camadas dielétricas (combinação de fase). Uma vez que a refletividade da interface dielétrico-ar e da interface dielétrico-metal é relativamente baixa, o modo ressonante fundamental tem uma alta perda óptica. A Figura 2c representa os resultados da simulação da absorção (linha sólida vermelha) da metassuperfície sobre os comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo que variam de 350 a 1500 nm. Devido à existência de dois ressonadores, existem dois picos de absorção em um comprimento de onda mais curto (cerca de 470 nm) e um comprimento de onda mais longo (cerca de 790 nm), como mostrado na Fig. 2c. Esses dois picos ressonantes desviam ligeiramente dos picos ressonantes dos ressonadores isolados, devido à interação dos dois ressonadores. Devido à sobreposição dos ressonadores, a metassuperfície de poucas camadas 1D tem uma eficiência de absorção média superior a 97% em comprimentos de onda de 350-1200 nm. A largura de banda operacional ( A > 90%) de ∆ λ _BW =1000 nm é maior do que aqueles (∆ λ _BW ≤ 750 nm) dos absorvedores solares anteriores com base nas estruturas IM e MIM [1,2,3,4,5,6,7,8].

Para verificar ainda mais o mecanismo físico dos absorvedores de metassuperfície 1D, os mapas de distribuições de densidade de dissipação de energia nos dois picos de absorção são calculados e os resultados são representados na Fig. 2d. Como esperado, a luz incidente é absorvida principalmente na camada fina de absorção (metal de alta perda). Além disso, para provar a eficácia e universalidade do projeto estrutural proposto, também simulamos o desempenho das metassuperfícies por outros metais de alta perda. Por exemplo, os resultados da simulação da absorção, transmissão e reflexão das metassuperfícies não nobres usando outros metais (como W, Ni e Cr) são descritos no arquivo adicional 1:Fig. S1. Na simulação, os materiais da primeira e terceira camadas são MgF ₂ . A metassuperfície usando W também tem uma absorção média acima de 97% em comprimentos de onda que variam de 350 a 1000 nm.

Os espectros de absorção de metassuperfícies com diferentes espessuras da camada absorvente são calculados e discutidos na Fig. 3a. O absorvedor metassuperficial mantém sua absorção média acima de 90% em comprimentos de onda de 400-1200 nm dentro de uma ampla faixa de espessura da camada absorvente fina (6 nm < d _m <16 nm). O resultado indica que um alto desempenho de absorção pode ser alcançado em uma ampla faixa de espessura de uma fina camada de absorção, o que é propício para fabricação conveniente. No entanto, o trabalho anterior usando apenas um único ressonador requer uma espessura de alta precisão da fina camada de absorção para uma condição crítica de acoplamento para atingir uma absorção eficiente.

a Espectros de absorção simulados da estrutura metassuperficial com diferentes h _m . b - c Espectro de absorção dependente do ângulo do absorvedor de metassuperfície sob b TE-polarizado e c Luzes polarizadas TM, respectivamente. d Absorvância média variando de 350 a 1000 nm em vários ângulos incidentes de 0 ° a 80 ° de luzes polarizadas TE e TM. e Eficiências solares para térmicas calculadas ( C =1000) em vários ângulos incidentes de 0 ° a 80 ° de luz TE-polarizada e TM-polarizada

As dependências de ângulo e polarização também são um critério importante para avaliar um absorvedor óptico, portanto, calculamos ainda mais seus espectros de absorção sob diferentes ângulos incidentes para os modos elétrico transversal (TE) e magnético transversal (TM), conforme mostrado na Fig. 3b, c . A absorção média em comprimentos de onda variando de 350 a 1000 nm também é calculada e representada na Fig. 3d. Podemos ver claramente que a absorção média em comprimentos de onda variando de 350 a 1000 nm é mantida acima de 90% em um ângulo de incidência de até 65 °. Sua absorção média diminui ligeiramente com o aumento dos ângulos incidentes e ainda é de até 80% para ângulos incidentes de até 75 ° sob luz TE-polarizada e TM-polarizada. Para essas nanoestruturas planas de poucas camadas anteriores com base em um ressonador, a eficiência de absorção média em comprimentos de onda variando de 400 a 1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo de incidência maior que 40 ° sob a incidência de polarização TE. [1,2,3 , 4,5,6,7,8, 48, 50]. Esses resultados mostram que esta metassuperfície possui o melhor desempenho de independência angular em comparação com os absorvedores planares de poucas camadas anteriores [1,2,3,4,5,6, 7,8]. A razão é que, a maioria dos absorvedores planares de poucas camadas relatados anteriormente são baseados em apenas um tipo de mecanismo de absorção. No entanto, a absorção em nosso absorvedor é baseada na sobreposição de dois ressonadores de alta perda. Com base nos espectros de absorção simulados, calculamos a eficiência de conversão solar em térmica ƞ , da seguinte forma [52]
$$ \ Delta ={E _ {\ upalpha}} - {E_R} =\ frac {{C \ times \ smallint {\ text {d}} \ lambda {\ upalpha} \ left (\ lambda \ right) {E_ { {\ text {solar}}}} \ left (\ lambda \ right) - \ smallint {\ text {d}} \ lambda \ alpha \ left (\ lambda \ right) {E _ {\ text {B}}} \ esquerda (\ lambda \ direita)}} {{C \ times \ smallint {\ text {d}} \ lambda {E _ {{\ text {solar}}}} \ left (\ lambda \ right)}} $$ ( 2)
onde E _α é a absorbância solar total; E _R é a perda de radiação térmica; E _solar é a irradiação solar espectral; E _B ( λ , T _A ) é a radiação do corpo negro na temperatura T _A ; e C é o fator de concentração que normalmente é da ordem de 1 a 1000 [52]. Os resultados calculados são exibidos pelas linhas sólidas na Fig. 3e. O absorvedor tem um alto desempenho ƞ _{energia solar térmica} de> 0,9 sob uma luz TE-polarizada com um ângulo de incidência de θ <=60 °, como mostrado na Fig. 3e. Enquanto isso, o absorvedor permanece ƞ > =0,9 sob uma luz polarizada TM com um ângulo de incidência de θ <=55 °, como mostrado na Fig. 3e. Este desempenho é melhor do que os absorvedores solares anteriores [52]. ƞ com vários ângulos incidentes na referência. [52] é representado pela linha pontilhada na Fig. 3e. Para polarização TM, o ƞ do nosso absorvedor é cerca de 20% maior do que o do absorvedor em [52]. Esses resultados revelam que a absorção óptica de nossa metassuperfície não é apenas banda larga, mas também grande angular.

Resultados experimentais e discussão

Para validar o absorvedor de metassuperfície 1D proposto, nós fabricamos a metassuperfície projetada usando apenas um evaporador de feixe E. A camada inferior de Ti (150 nm), um espaçador de MgF ₂ (95 nm), uma fina camada de absorção de Ti (10 nm) e um MgF ₂ camada (105 nm) são depositados sobre um substrato de vidro. A imagem do absorvedor fabricado está representada na Fig. 4a, e podemos observar que a amostra é toda preta. Em seguida, a transmissão óptica ( T ) e os espectros de reflexão (R) da metassuperfície são medidos em comprimentos de onda de 350-1500 nm com um espectrofotômetro Shimadzu UV3600 conectado à esfera de integração (ISR-3100). A absorção ( A ) é então calculado por A =1– R - T . Claramente, vemos um espectro de absorção de banda larga com dois picos de absorção, exibindo uma boa concordância entre os resultados da simulação na Fig. 2c e os resultados do experimento na Fig. 4b. A absorção média dos resultados do experimento está acima de 97% em comprimentos de onda de 350 a 1200 nm. O BW (∆ λ _BW ) da absorção maior do que 90% é de até 1030 nm (350 nm-1380 nm), que é maior do que (∆ λ _BW =750 nm [51]) de absorvedor planar IM e MIM relatado anteriormente [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].

a Fotografia da metassuperfície em um substrato de vidro. b Espectros experimentais de absorção / transmissão / reflexão de uma estrutura metassuperficial. c Fotografia de uma metassuperfície flexível em um substrato de PE. d Espectros experimentais de absorção / transmissão / reflexão de uma metassuperfície flexível. e Espectro de absorção dependente do ângulo experimental de um absorvedor metassuperficial sob uma luz não polarizada. f Absorção média experimental em comprimentos de onda que variam de 350 a 1000 nm em vários ângulos incidentes de 0 ° a 70 ° de uma luz não polarizada

Além disso, também depositamos a estrutura metassuperficial sobre um substrato flexível (PE, polietileno), e a Fig. 4c representa a imagem da amostra flexível fabricada, que também é preta. As propriedades ópticas da amostra flexível também são medidas e representadas na Fig. 4d, e uma absorção média acima de 95% em comprimentos de onda de 350-1100 nm é obtida. A razão da pequena diferença de absorção em comprimentos de onda mais curtos entre as Fig. 4b, d é que é um pouco difícil garantir sua espessura de metal / dielétrico de alta precisão em processos de deposição. Conforme mostrado na Fig. 4e, também medimos os espectros de absorção sob diferentes ângulos de incidência com luz não polarizada. Os resultados do experimento mostram que nosso absorvedor é insensível ao ângulo de incidência, o que é consistente com os resultados da simulação. A absorção média medida variando de 350 a 1000 nm em vários ângulos incidentes de 0 ° a 70 ° também é representada na Fig. 4f. A absorção média medida em comprimentos de onda variando de 350 nm-1000 nm é mantida acima de 90% no ângulo de incidência como alto quanto 65 °, o que está de acordo com o resultado da simulação na Fig. 3d. Observe que, para essas nanoestruturas planas de poucas camadas relatadas com base em um ressonador, a eficiência de absorção média em comprimentos de onda variando de 400 a 1000 nm cairia abaixo de 90% para ângulos incidentes maiores que 40 ° sob a incidência de polarização TE. [1,2 , 3,4,5,6,7,8, 48, 50]

Para avaliar melhor o potencial de nossa metassuperfície em aplicações fototérmicas, também caracterizamos sua propriedade de aquecimento por luz. Usamos uma fonte de luz halógena de banda larga e, em seguida, registramos o aumento da temperatura de uma amostra de metassuperfície por um termômetro infravermelho XINTEST-HT18. A potência da fonte de luz halógena é medida por um fotômetro XINBAO-SM206 no seguinte experimento. Da Fig. 5a, pode ser visto claramente que os calores gerados são altamente confinados em torno da amostra de metassuperfície. A metassuperfície flexível aumenta sua temperatura de superfície em 25,1 K a partir da temperatura ambiente sob a luz de halogênio de P =1,2 kW / m ² . O aumento da temperatura da superfície é maior do que os absorvedores solares recentemente relatados com base em uma metassuperfície de partículas de ouro ( A =83%, ∆ T _e =12 ° C, P =2,4 kW / m ² ) [54] e metassuperfície plasmônica de ouro / níquel (∆ T _e =8 ° C, P =1kw / m ² ) [55] Além disso, a Fig. 5b, c mostra sequências de imagens representativas de uma gota de água congelada em uma metassuperfície e amostras de vidro. Em primeiro lugar, uma única gota de água é depositada e congelada na superfície de uma metassuperfície e de um vidro. Em seguida, uma lâmpada de halogênio acende ( P ≈ 1,2 kW / m ² ) ilumina a superfície com a gota congelada aderida à metassuperfície ou ao vidro. Para a amostra da metassuperfície, a gota começa a deslizar após 40 s, e é totalmente removida em aproximadamente 75 s. Em contraste, nenhuma mudança da gota congelada é vista para o vidro sob a mesma iluminação. Observe que, a intensidade de iluminação ( P =1,2 kW / m ² ) da luz incidente em nosso trabalho é apenas metade disso ( P =2,4 kW / m ² ) em estudos anti-gelo solares anteriores baseados em ouro / TiO ₂ metassuperfície de partículas [54], indicando que nossa metassuperfície é mais vantajosa para aplicações práticas.

a Imagem térmica de um absorvedor de metassuperfície. b Instantâneos representativos de uma gota de água congelada em uma metassuperfície iluminada e vidro

Conclusões

Em resumo, uma estratégia de projeto eficiente foi proposta para obter absorvedores de banda larga baseados em metassuperfície 1D não nobre, consistindo em camadas dielétricas / metal / dielétricas / metálicas. Devido à sobreposição de dois ressonadores de alta perda, foi alcançada uma absorção média acima de 97% em comprimentos de onda de 350–1200 nm. A largura de banda da absorção maior que 90% foi de até 1000 nm (410–1410 nm), que foi maior do que (≤ 750 nm) dos absorvedores planares MIM anteriores [1, 5, 8, 25,26,27]. A metassuperfície foi fabricada por um método simples de deposição de feixe E, proporcionando a possibilidade de aplicações em grandes áreas. Os resultados da simulação e do experimento mostraram que a absorção de banda larga de nossos absorvedores foi mantida acima de 90% em um ângulo de incidência de até 65 ° variando de 350 a 1000 nm. Para absorvedores planares de poucas camadas anteriores, a eficiência média de absorção em comprimentos de onda variando de 400 a 1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo incidente maior que 40 ° sob uma incidência de polarização TE. [1,2,3,4,5 , 6,7,8, 48, 50]. Além disso, a flexibilidade também foi demonstrada pelo depósito da metassuperfície sobre um substrato flexível. A metassuperfície flexível aumentou sua temperatura de superfície em 25,1 K em relação à temperatura ambiente sob uma lâmpada de halogênio de P =1,2 kW / m ² . Para aplicações práticas, investigamos a capacidade da metassuperfície flexível para remover gelo sob uma lâmpada de halogênio de P =1,2 kW / m ² . Esta metassuperfície 1D com banda larga e absorção eficiente pode ter aplicações potenciais na fobicidade de gelo movida a energia solar.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados gerados durante e / ou analisados ​​durante o estudo atual estão disponíveis nos autores correspondentes mediante solicitação razoável.

Abreviações

BW:

larguras de banda

FDTD:

domínio do tempo de diferença finita

IM:

isolante - metal

MIM:

metal-isolador-metal

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