Alcançando Absorção Solar Acima de 97% de 350–1200 nm com Design de Duplo Ressonador de Alta Perda

Resumo

A absorção de banda larga eficiente de radiação solar é desejada para dessalinização de água do mar, propriedades anti-gelo e outras aplicações de energia renovável. Propomos uma ideia de superpor duas ressonâncias de alta perda para ampliar as larguras de banda de um absorvedor de poucas camadas, feito de camadas dielétrico/metal/dielétrico/metal. Tanto a simulação quanto o experimento mostram que a estrutura tem uma eficiência média de absorção superior a 97% em comprimentos de onda variando de 350 a 1200 nm. A largura de banda da absorção maior que 90% é de até 1000 nm (410–1410 nm), que é maior que a (≤ 750 nm) de 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°, mantendo-se ainda acima de 80% mesmo em um ângulo de incidência de 75°. O desempenho de insensibilidade angular é muito melhor que o de absorvedores solares de poucas camadas anteriores. Os absorvedores de metasuperfície 1D flexíveis não nobres são fabricados em uma única etapa de evaporação. Sob iluminação de uma lâmpada halógena de P = 1,2 kW/m², a metasuperfície flexível aumenta sua temperatura de superfície em 25,1 K a partir da temperatura ambiente. Experimentos adicionais demonstram que a localização de calor derrete rapidamente o gelo acumulado. Nossa intensidade de iluminação (P = 1,2 kW/m²) é apenas metade daquela (P = 2,4 kW/m²) em estudos anteriores de anti-gelo solar baseados em metasuperfícies de partículas de ouro/TiO₂, indicando que nossa metasuperfície é mais vantajosa para aplicações práticas. Nossos resultados ilustram um caminho efetivo para absorvedores de metasuperfície de banda larga com propriedades atrativas de flexibilidade mecânica, baixo custo de metais não nobres e fabricação em grande área, que têm perspectivas promissoras em aplicações de utilização de calor solar.

Introdução

Um absorvedor óptico com alta e ampla absorção tem sido um objetivo científico e tecnológico importante por muito tempo para muitas aplicações, incluindo fotovoltaico térmico, geração de vapor e fotodetecção. Nos últimos anos, os absorvedores de metamaterial/metasuperfície ópticos, materiais estruturados artificialmente feitos de arranjos 2D de células unitárias subcomprimento de onda, têm sido amplamente investigados e desenvolvidos, como nanofios densamente empacotados, nanotubos, sulcos cônicos e designs piramidais. Embora enormes esforços sejam feitos em melhorias de desempenho desses absorvedores baseados em arranjos 2D, a complexidade de fabricação da maioria dessas nanoestruturas, exigindo litografia de feixe de elétrons (EBL), fresagem de feixe de íons focalizados (FIB), nanolitografia por impressão ou tecnologia de litografia, dificulta sua ampliação.

Para resolver esses problemas, metasuperfícies 1D baseadas no conceito de designs planares livres de litografia tornaram-se um tópico de investigações intensivas nos últimos anos. Recentemente, cientistas provaram a capacidade de absorção de algumas configurações de poucas camadas (como camada única de metal nobre, isolante-metal (IM) e estrutura metal-isolante-metal (MIM)), que são favoráveis ao acúmulo local de calor absorvido. Primeiramente, para configurações planares 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 por apenas um mecanismo de efeito de polaritons de plasmon de superfície (SPP). Esses absorvedores baseados no efeito SPP também mostram propriedade inerentemente dependente do ângulo devido às condições de correspondência de momento. Além disso, alguns absorvedores usando metais nobres baseados em configuração planar IM ou MIM também foram propostos e demonstrados usando ressonância Fabry-Perot (FP). No entanto, para esses absorvedores planares (como Ge/Au e Ag/Si/Ag), as larguras de banda de absorção (A > 80%) são geralmente menores que 300 nm devido à utilização de apenas uma ressonância FP. Enquanto isso, o custo do material de metal nobre na maioria dos absorvedores mencionados acima é caro. Recentemente, vários grupos usaram metais não nobres (como Mo ou Cr) baseados em nanoestruturas planares MIM para demonstrar absorvedores ópticos. O absorvedor Mo/Al₂O₃/Mo baseado em uma única ressonância Febry-Perot (FP) mostrou absorção acima de 90% de 400 a 900 nm. O absorvedor Cr/Al₂O₃/Cr baseado em uma ressonância FP mostrou absorção acima de 90% de 400 a 1150 nm. Para a maioria dos absorvedores planares de poucas camadas relatados, a largura de banda ∆λ_BW (A > 90%) no comprimento de onda visível-infravermelho próximo é menor que 750 nm. Enquanto isso, para essas nanoestruturas planares MIM baseadas em uma ressonância FP, a eficiência média de absorção em comprimentos de onda de 400–1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo de incidência maior que 40° sob incidência TE-polarizada. Tal característica espectral dependente do ângulo é uma desvantagem significativa, que torna os absorvedores difíceis de serem aplicáveis em usos práticos. Assim, projetar e realizar metasuperfícies 1D de poucas camadas não nobres para alcançar absorção omnidirecional, de banda larga e eficiente é desafiador, mas necessário para aplicações práticas.

Aqui, propomos e demonstramos experimentalmente uma metasuperfície 1D de poucas camadas não nobres, que superpõe dois ressonadores de alta perda para ampliar as larguras de banda (∆λ_BW) dos absorvedores. A metasuperfície 1D de poucas camadas não nobres é camadas finas dielétrico/metal/dielétrico em um filme metálico espesso, e compreende dois ressonadores de alta perda. Devido à superposição dos dois ressonadores de alta perda, a eficiência média de absorção de nossa metasuperfície 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 que a (∆λ_BW = 750 nm) de absorvedores planares MIM anteriores. Além disso, a absorção média para uma ampla faixa de ângulos de incidência até 0–65° todos superam 90% em comprimentos de onda variando de 350 a 1000 nm. Isso torna nossos absorvedores mais benéficos para aplicações práticas comparados aos absorvedores planares MIM anteriores, dos quais a eficiência média de absorção em comprimentos de onda de 400–1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo de incidência maior que 40° sob incidência TE-polarizada. A metasuperfície é fabricada por uma única etapa de deposição por vapor de feixe de elétrons em um substrato de vidro, bem como um substrato flexível de PET. Os espectros de absorção medidos da metasuperfície não nobre correspondem bem com os resultados de simulação. Devido à eficiente absorção óptica e conversão de energia fototérmica na camada de absorção ultra-fina (espessura = 10 nm), a metasuperfície não nobre exibe um aumento de temperatura (ΔTe = 25,1 K) quando iluminada por uma fonte de luz halógena (P = 1,2 kW/m²). O aumento de temperatura (ΔTe = 25,1 K) é maior que o de absorvedores solares recentemente relatados baseados em metasuperfície de partículas de ouro (ΔTe = 12 °C sob P = 2,4 kW/m²) e metasuperfície plasmonica de ouro/níquel (ΔTe = 8 °C sob P = 1,2 kW/m²). Para aplicações práticas, demonstramos que a metasuperfície é capaz de remover gelo sob uma fonte de luz halógena (P = 1,2 kW/m²). Isso é mais eficiente comparado ao trabalho anterior de anti-gelo solar baseado em metasuperfície de partículas de ouro/TiO₂ usando uma fonte de luz halógena com P = 2,4 kW/m². A fabricação livre de litografia de nossa metasuperfície 1D de poucas camadas é fácil de escalar, facilitando seu uso extensivo em aplicações foto-térmicas práticas.

Design e Métodos

A metasuperfície 1D de poucas camadas projetada consiste em camadas finas isolante/metal (alta perda)/isolante em um filme metálico espesso, como mostrado na Fig. 1a. As espessuras das três camadas finas superiores são h₁, h_m e h₂, respectivamente. A luz iluminada pode ser refletida para frente e para trás na interface dielétrico-ar e na interface dielétrico-metal na nanoestrutura planar IM, construindo um ressonador, como mostrado na Fig. 1b (Ressonador 1). O comprimento do Ressonador 1 é h₁. Similarmente, a nanoestrutura planar metal (alta perda)/isolante/metal (alta perda) também é um ressonador (denotado por Ressonador 2 na Fig. 1c), e o comprimento do Ressonador 2 é h₂. A condição de ressonância dos dois ressonadores é:

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

Aqui, λ_res é o comprimento de onda de ressonância. n_i e t_i são o índice de refração e espessura da camada isolante, respectivamente. m é um número inteiro que determina a ordem do modo ressonante. Φ_b e Φ_t são o deslocamento de fase adquirido de duas reflexões. Baseado na Eq. (1), ao aumentar t_i, o comprimento de onda de ressonância λ_res terá deslocamento 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 ampliar a largura de banda de operação (∆λ_BW) dos ressonadores, materiais metálicos de alta perda são empregados para ambas as camadas metálicas superior e inferior. Como todos sabemos, existem muitos materiais de alta perda na natureza, como Ti, W e Ni. Estes materiais são baratos. Aqui, Ti é escolhido como o metal de alta perda (segunda e quarta camadas). Uma camada de MgF₂ é escolhida como a primeira e terceira camadas. Outros dielétricos similares como SiO₂, TiO₂ e polímeros também podem ser usados como camadas dielétricas.

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

Resultados de Simulação e Discussão

Para a estrutura IM na Fig. 1b, a estrutura planar MgF₂/Ti é colocada no substrato de MgF₂, e a espessura (h_m) da camada de Ti é 10 nm. Como mostrado na Fig. 2a, com o aumento da espessura da camada dielétrica, pode-se observar que o número de modos de ressonância na estrutura de camadas MgF₂/Ti aumenta gradualmente, concordando bem com a Eq. (1). Isso indica que a estrutura de camadas MgF₂/Ti na Fig. 1b é um ressonador. Enquanto isso, também podemos encontrar que o modo de ressonância inferior (correspondente à menor espessura da camada dielétrica) tem maior largura de banda (∆λ_BW). Para a estrutura MIM na Fig. 1c, a espessura (h₂) da camada superior de Ti é projetada para ser 10 nm, enquanto o Ag inferior é infinito para bloquear a luz transmitida. Similarmente, podemos ver o comportamento de ressonância óbvio, e o modo de ressonância de ordem inferior tem maior largura de banda (∆λ_BW), como mostrado na Fig. 2b.

Para obter um espectro de absorção de banda larga, tanto o Ressonador 1 quanto o Ressonador 2 operam no modo de ressonância de ordem mais baixa por seleção razoável da espessura (h₁ = 105 nm, h₂ = 95 nm) das duas camadas dielétricas (casamento de fase). Como a reflectividade da interface dielétrico-ar e interface dielétrico-metal é relativamente baixa, o modo de ressonância fundamental tem alta perda óptica. A Figura 2c plota os resultados de simulação da absorção (linha vermelha sólida) da metasuperfície sobre os comprimentos de onda visíveis e infravermelhos próximos variando de 350 a 1500 nm. Devido à existência de dois ressonadores, há dois picos de absorção em um comprimento de onda mais curto (em torno de 470 nm) e um comprimento de onda mais longo (em torno 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 superposição dos ressonadores, a metasuperfície 1D de poucas camadas tem uma eficiência média de absorção superior a 97% em comprimentos de onda de 350–1200 nm. A largura de banda de operação (A > 90%) de ∆λ_BW = 1000 nm é maior que aquelas (∆λ_BW ≤ 750 nm) dos absorvedores solares anteriores baseados em estruturas IM e MIM.

Para verificar ainda mais o mecanismo físico dos absorvedores de metasuperfície 1D, os mapas de distribuições de densidade de dissipação de potência nos dois picos de absorção são calculados, e os resultados são representados na Fig. 2d. Como esperado, a luz incidente é principalmente absorvida na camada absorvente fina (metal de alta perda). Além disso, para provar a eficácia e universalidade do design estrutural proposto, também simulamos o desempenho das metasuperfícies por outros metais de alta perda. Por exemplo, os resultados de simulação da absorção, transmissão e reflexão das metasuperfícies não nobres usando outros metais (como W, Ni e Cr) são representados no Arquivo Adicional 1: Fig. S1. Na simulação, os materiais da primeira e terceira camadas são MgF₂. A metasuperfície usando W também tem uma absorção média acima de 97% em comprimentos de onda variando de 350 a 1000 nm.

Os espectros de absorção de metasuperfícies com diferentes espessuras da camada absorvente são calculados e discutidos na Fig. 3a. O absorvedor de metasuperfície 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 camada absorvente fina, o que é propício para fabricação conveniente. No entanto, o trabalho anterior usando apenas um único ressonador requer uma espessura de alta precisão da camada absorvente fina para uma condição de acoplamento crítico para alcançar uma absorção eficiente.

A dependência de ângulo e polarização também é um critério importante para avaliar um absorvedor óptico, então calculamos ainda seus espectros de absorção sob diferentes ângulos de incidência para ambos os modos elétrico transversal (TE) e magnético transversal (TM), como 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 tão alto quanto 65°. Sua absorção média diminui ligeiramente com o aumento dos ângulos de incidência e ainda é de até 80% para ângulos de incidência até 75° sob luz TE-polarizada e TM-polarizada. Para esses absorvedores planares de poucas camadas anteriormente relatados baseados em um ressonador, a eficiência média de absorção em comprimentos de onda variando de 400 a 1000 nm cairia abaixo de 90% para um ângulo de incidência maior que 40° sob incidência TE-polarizada. Estes resultados mostram que esta metasuperfície possui o melhor desempenho de independência angular comparado com absorvedores planares de poucas camadas anteriores. A razão é que, a maioria dos absorvedores planares de poucas camadas anteriormente relatados são baseados em apenas um tipo de mecanismo de absorção. No entanto, a absorção em nosso absorvedor é baseada na superposição de dois ressonadores de alta perda. Baseado nos espectros de absorção simulados, calculamos a eficiência de conversão solar-térmica η, como segue:

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

onde E_α é a absorvância 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 de corpo negro na temperatura T_A; e C é o fator de concentração que geralmente está na ordem de 1 a 1000. Os resultados calculados são exibidos pelas linhas sólidas na Fig. 3e. O absorvedor realiza alta η_{solar térmica} de > 0,9 sob luz TE-polarizada com ângulo de incidência θ ≤ 60°, como mostrado na Fig. 3e. Enquanto isso, o absorvedor permanece η ≥ 0,9 sob luz TM-polarizada com ângulo de incidência θ ≤ 55°, como mostrado na Fig. 3e. Este desempenho é melhor que o de absorvedores solares anteriores. η com vários ângulos de incidência na Ref. [52] é representada pela linha pontilhada na Fig. 3e. Para polarização TM, o η de nosso absorvedor é cerca de 20% maior que o do absorvedor em [52]. Estes resultados revelam que a absorção óptica de nossa metasuperfície não é apenas de banda larga, mas também de amplo ângulo.

Resultados Experimentais e Discussão

Para validar o absorvedor de metasuperfície 1D proposto, fabricamos a metasuperfície projetada usando apenas um evaporador de feixe de elétrons. A camada inferior de Ti (150 nm), um espaçador de MgF₂ (95 nm), uma camada fina de absorção de Ti (10 nm) e uma camada de MgF₂ (105 nm) são depositados em um substrato de vidro. A imagem do absorvedor fabricado é representada na Fig. 4a, e podemos observar que a amostra é toda preta. Em seguida, os espectros de transmissão óptica (T) e reflexão (R) da metasuperfície são medidos em comprimentos de onda de 350–1500 nm com um espectrofotômetro Shimadzu UV3600 acoplado a uma esfera integradora (ISR-3100). A absorção (A) é então calculada por A = 1 - R - T. Claramente, vemos um espectro de absorção de banda larga com dois picos de absorção, exibindo um bom acordo entre resultados de simulação na Fig. 2c e resultados experimentais na Fig. 4b. A absorção média dos resultados experimentais é acima de 97% em comprimentos de onda de 350 a 1200 nm. A BW (∆λ_BW) da absorção maior que 90% é de até 1030 nm (350 nm-1380 nm), que é maior que a (∆λ_BW = 750 nm) de absorvedores planares IM e MIM anteriormente relatados.

Além disso, também depositamos a estrutura da metasuperfície em 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 Fig. 4b, d é que é um pouco difícil garantir sua alta precisão de espessura de metal/dielétrico nos processos de deposição. Como mostrado na Fig. 4e, também medimos os espectros de absorção sob diferentes ângulos de incidência com luz não polarizada. Os resultados experimentais mostram que nosso absorvedor é insensível ao ângulo de incidência, o que é consistente com os resultados de simulação. A absorção média medida variando de 350 a 1000 nm em vários ângulos de incidência 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% em ângulo de incidência tão alto quanto 65°, o que está em bom acordo com o resultado de simulação na Fig. 3d. Note que, para essas nanoestruturas planares de poucas camadas relatadas baseadas em um ressonador, a eficiência média de absorção em comprimentos de onda variando de 400 a 1000 nm cairia abaixo de 90% para ângulos de incidência maiores que 40° sob incidência TE-polarizada.

Para avaliar ainda mais o potencial de nossa metasuperfície em aplicações foto-térmicas, também caracterizamos sua propriedade de aquecimento por luz. Usamos uma fonte de luz halógena de banda larga, e então registramos o aumento de temperatura de uma amostra de metasuperfície por um termômetro infravermelho XINTEST-HT18. A potência da fonte de luz halógena é medida por um fotômetro XINBAO-SM206 no experimento seguinte. Da Fig. 5a, pode-se ver claramente que os calores gerados estão altamente confinados ao redor da amostra de metasuperfície. A metasuperfície flexível aumenta sua temperatura de superfície em 25,1 K a partir da temperatura ambiente sob a luz halógena de P = 1,2 kW/m². O aumento de temperatura de superfície é maior que o de absorvedores solares recentemente relatados baseados em metasuperfície de partículas de ouro (A = 83%, ΔT_e = 12 °C, P = 2,4 kW/m²) e metasuperfície plasmonica de ouro/níquel (ΔT_e = 8 °C, P = 1 kW/m²). Além disso, a Fig. 5b, c mostra sequências de imagens representativas de uma gota de água congelada em uma metasuperfície e amostras de vidro. Primeiro, uma única gota de água é depositada e congelada na superfície de uma metasuperfície e vidro. Então, uma luz de lâmpada halógena (P ≈ 1,2 kW/m²) ilumina a superfície com a gota congelada aderida à metasuperfície ou vidro. Para a amostra de metasuperfície, a gota começa a deslizar após 40 s, e é totalmente removida dentro de aproximadamente 75 s. Em contraste, nenhuma mudança da gota congelada é vista para o vidro sob a mesma iluminação. Note que, a intensidade de iluminação (P = 1,2 kW/m²) da luz incidente em nosso trabalho é apenas metade daquela (P = 2,4 kW/m²) em estudos anteriores de anti-gelo solar baseados em metasuperfícies de partículas de ouro/TiO₂, indicando que nossa metasuperfície é mais vantajosa para aplicações práticas.

Conclusões

Em resumo, uma estratégia de design eficiente foi proposta para alcançar absorvedores de banda larga baseados em metasuperfície 1D não nobre, consistindo de camadas dielétrico/metal/dielétrico/metal. Devido à superposição de dois ressonadores de alta perda, uma absorção média acima de 97% em comprimentos de onda de 350–1200 nm foi alcançada. A largura de banda da absorção maior que 90% foi de até 1000 nm (410–1410 nm), que foi maior que a (≤ 750 nm) de absorvedores planares MIM anteriores. A metasuperfície foi fabricada por um método simples de deposição por feixe de elétrons, fornecendo a possibilidade de aplicações em grande área. Os resultados de simulação e experimento mostraram que a absorção de banda larga de nossos absorvedores foi mantida acima de 90% em um ângulo de incidência tão alto quanto 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 de incidência maior que 40° sob incidência TE-polarizada. Adicionalmente, a flexibilidade também foi demonstrada depositando a metasuperfície em um substrato flexível. A metasuperfície flexível aumentou sua temperatura de superfície em 25,1 K a partir da temperatura ambiente sob uma lâmpada halógena de P = 1,2 kW/m². Para aplicações práticas, investigamos a capacidade da metasuperfície flexível para remover gelo sob uma lâmpada halógena de P = 1,2 kW/m². Esta metasuperfície 1D com absorção de banda larga e eficiente pode ter aplicações potenciais em propriedades anti-gelo impulsionadas por energia solar.

Disponibilidade de Dados e Materiais

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

Abreviações

BW:

larguras de banda

FDTD:

diferenças finitas no domínio do tempo

IM:

isolante-metal

MIM:

metal-isolante-metal