可視およびUVスペクトルアプリケーション用の超広帯域吸収を備えた分割六角形パッチアレイ形状のナノメタ吸収体の設計

はじめに

材料工学は古くから人類の発展の歴史に貢献してきました。「メタマテリアル」は間もなく重要な舵取りの突破口の1つになるでしょう。材料のジャンルの変化を表す「メタ」は、負の誘電率や透磁率などの独特の誘電特性を示し、製造が容易です[1]。メタマテリアルにおけるさまざまなアプリケーションの可能性[2、3]により、世界中の何人かの研究者は、それぞれの研究分野でベンチマークイノベーションを行うことに興味を持っています。可視周波数範囲からの光エネルギー変換とそれをエネルギーハーベスティング、特に太陽電池ベースのエネルギー研究に組み込むことは、メタマテリアル吸収体の有望な分野の1つです[4、5、6]。可視スペクトルまたはUV範囲の光波は、深刻な問題や豊富なエネルギー量なしに常に私たちを取り囲んでいました。確立されたすべての利用技術の中で、太陽光発電（PV）技術はフィールドアプリケーションに広く適用されており、過去数年間で、将来のグリーンエネルギーの課題でバランスをとるためにパフォーマンスを改善するための最先端の方法が提案されています。たとえば、効率改善のための単結晶、多結晶、および多結晶セル、メタルハライドペロブスカイトを使用したPV開発、電力変換効率向上のための有機および量子ドットPV、電力出力に影響を与えるPV関連材料のオプトエレクトロニクス品質[7]などの上。さらに、高品質のPVペロブスカイト層の順次堆積[8]、コーティングおよび印刷されたPVペロブスカイト[9]、光子リサイクル[10]、または最大電力点でのセントロイド類似性に基づくアルゴリズム[11]などの材料製造方法があります。太陽電池の効率を高めることに焦点を当てています。

さらに、アンテナと「レクテナ」として知られる整流器（ダイオード）の組み合わせを使用した太陽エネルギーハーベスティングの潜在的な分野も、典型的なPVセルの効率を高めるために調査されました。レクテナは、マイクロ波エネルギーを電気に変換するのに非常に効率的であるため、主にマイクロ波ベースの電力伝送のために研究されてきました。たとえば、ナノテクノロジーを使用して特許を取得したプロトタイプ[12]は、光を効率を高めて電気に変換することに焦点を当てており、現在は従来の太陽電池と互換性があります。実験手順は、PVモジュールの下に配置されたレクテナが380〜480 W / m ² の出力を与えることを示しています。 組み合わせたモジュールで、10〜20％から38〜40％に増加しました。ナノファブリケーション技術の制約により、プロトタイプのほとんどは、可視スペクトルではなく遠赤外線範囲で動作します。ナノテクノロジーの開発は、このアプローチをさらに促進する可能性があると期待できます。したがって、最近の記事では、マルチポート透過アンテナによるRF太陽エネルギーのハイブリッド化[13]など、太陽エネルギーを収集するための多様な戦略を採用し、53.2％のRFからDCへの変換効率で72.4％の効率を達成しました。従来のダイポールナノアンテナ（CDN）と比較して効率が30％から40％に向上した、収穫のための効率最適化専用の電子ビームリソグラフィーによって製造された進化型ダイポールナノアンテナ（EDN）[14]。 SiO ₂ と統合された金属-絶縁体-金属（MIM） トンネル[15]は90％以上の変換効率を示し、ZhangとYi [16]は、蝶ネクタイ型のナノレクテナを使用した同様のアプローチを提案し、73.38％の変換効率を主張しました。同様に、ショットキーダイオードベースの「ファブリペロー（FP）」共振器が埋め込まれたメタマテリアルに触発されたレクテナ[17]は、高いQファクターと、16倍の性能向上を示しました。メタマテリアルに触発され、半古典的モデルによって開発された光レクテナは、高効率を示しています。低コストの太陽電池[18]。それだけでなく、吸収の二機能性を備えた切り替え可能なメタマテリアル[19]、二酸化バナジウムベースの薄いメタサーフェス、調整可能なセンシングのためのゲルマニウムに触発されたメタサーフェス[20]のように、メタマテリアル特性のいくつかのバリエーションが調査されました。エネルギーハーベスティングの従来の考え方とは別に、メタマテリアルアブソーバーまたはアンテナのほとんどは、可視スペクトルではなく、RFエネルギーハーベスティング用に開発されました。これらの記事のエネルギーハーベスティング[21、22]は、太陽電池に貢献できません。

THz範囲レクテナまたはメタマテリアルアブソーバーの最近の研究は、インピーダンスマッチング、ユニットセルとPVセルの統合、ユニットセルからPVユニットへの変換エネルギーの供給、光子変換効率などのいくつかの制約のために、まだ実験室での実験または分析中のナノレクテナに影響を与えましたさらに、PVセルは、環境パラメータと可視スペクトルの狭い吸収帯域で性能を低下させる可能性があります。それにもかかわらず、ナノスケールのアンテナまたは吸収体は、全方向性構造のプラズモニック吸収体[23]などの高度な設計および製造技術を採用することによって探求されています。材料の挙動と製造上の制約。ナノスケール構造の独自の光学的および電気的特性[25、26、27、28、29]は、動的な材料特性を備えたさまざまな範囲の吸収率を示しています。報告されている洗練された構造のほとんどは、太陽エネルギーの掃気に適用するのが困難ですが、実験ベースで意図されたアプリケーションに使用されるメタマテリアル吸収体があります[30、31]。アンテナが入射EM波をAC信号に変換することで、ダイオードはそれを使用可能なDC電圧に整流することができます。無線周波数では90％以上の変換効率が得られます。ただし、プロセスが複雑で、ダイオードベースの整流の応答が遅すぎるため、レクテナを光学領域に拡張することは非常に困難です。動的ホール効果（DHE）として知られる、ダイオードを使用しない直接光電変換に関するめったに注目されない研究が、1954年にH.Barlowによって報告されました。入射放射線。この効果は、理論的にはすべての導電性材料によって示され、マイクロ波から可視周波数までの全EMスペクトルに迅速な応答で適用できます[32]。したがって、メタマテリアルを使用した太陽エネルギーハーベスティングシステムの効率向上の潜在的な分野は、アプリケーションレベルでの典型的な太陽電池効率を促進するために、利用可能なすべての技術をまだ調査、分析、および再展開していません。

この論文では、太陽エネルギー収穫のための可視およびUVレジームの両方でシミュレートされたDNG特性を備えたトリナノレイヤー材料上のSHPAメタマテリアル吸収体を提案します。有限差分時間領域（FDTD）分析法に続いて、構造形成、分析、およびシミュレーションに使用される市販のCSTマイクロ波スタジオ（MWS）2017が実施されました。したがって、波の伝播解析に適用される標準境界条件とTE、TM平面偏光も、広角吸収用にモデル化されています。構造が最適化されたナノレンジメタマテリアルアブソーバーの場合、遺伝的アルゴリズム（GA）が多くの異なる設計にうまく適用され、肯定的な結果が得られています[33、34]。したがって、提案された吸収体は、負の屈折率材料（NIM）の特性を見つけるために同様のアルゴリズム[33]を採用しました。図1cは、GAに最適化されたユニットセル設計ドメインを示しています。ここでは、ナノがヘキサ形状を分割し、10×7グリッドに分割されています。グリッド内では、細分化された3×3グリッドが六角形を表しています。実際のメカニズムは、ナノ構造の形状を維持しながら、幾何学的寸法を変化させる吸収を改善するためのデータの補間です。このGAの目標は、可能な限り最大のNIM特性を備えた可視周波数のSHPAメタマテリアルを抽出することです。特性評価と関連する特性分析を抽出するためにMATLABプログラムに処理されたシミュレーション中に評価された散乱パラメータ。数値調査では、両方の周波数領域で95％以上の吸収が見られ、左利きのメタマテリアルの特性が顕著です。したがって、さらに製造された検証を伴う提案されたSHPAは、太陽エネルギーの収穫、太陽電池の光子蓄積プロセス、または光子増幅などの潜在的な応用分野を証明することができます。

SHPAナノメタアブソーバー。 a 物理的寸法。 b シミュレーションの設定。 c GAに最適化されたエンコーディングの図

計算設計と方法論

SHPAメタマテリアルアブソーバーは、2層基板、ガリウムヒ素（GaAs）、ニッケル（光学）、および金（Au）上に設計されたパッチ層としてモデル化されました。損失誘電率が12.94の厚さ80nmのGaAsと厚さ100nmのNi（図1a）。表1に、ユニットセル構造の詳細寸法を示します。 SHPAパッチの厚さは90nmで、Au膜は局所的な磁場に対して無視でき、等方性伝導率は4.1×10 ⁷ S / m [35]。 「異方性ドルーデ伝導率テンソル」[36]によると、局所磁場のZ成分のみが考慮されます。他の2つの軸の直交成分はZ成分よりもはるかに弱いためです。シミュレーション中、最上層と最下層にそれぞれPEC（完全電気導体）とPMC（完全磁気導体）を適用したX方向とY方向の周期境界条件（図1b）。ユニットセルの異方性導電率は、局所的な磁場を組み込むことによって確保されました。 SHPAのSパラメータは、430THzから1000THzの範囲で、100THzのステップサイズでシミュレートされました。 A =1-T-Rによって得られる反射（R）、透過（T）、および吸収（A）の範囲。ここで| S ₁₁ | ² =Rおよび| S ₂₁ | ² =T. E によって定義される電界の平面波 = E _x Cos（ωt + kz ） E がZ軸に向かって伝播する _x は電界の振幅、ωは角周波数、 t 時間であり、 k 波数です。

Pendry [37]によって提案されたメタマテリアルの幾何学的構造の開発は、マイクロ波範囲に広く適用できますが、THzレジーム、つまり可視周波数と光周波数は、負の透磁率と平行伝搬多層基板に大きな欠点を示します。したがって、代替設計アプローチ[38]金属-誘電体-金属は、構造への通常の伝播に対する共鳴磁気双極子としての良好な応答を示し、負の透磁率を示し、単純化された層構造はナノスケールで比較的容易に製造できます。さらに、3次元でDNG特性を備えたメタマテリアル吸収体を設計するには、後方伝搬、逆ドップラー効果、エバネッセント波増幅など、構造にいくつかの特性が必要です。ただし、可視周波数スペクトルに関する理論的分析と機能は、専門家によってすでに説明されています[39 、40,41]。したがって、薄膜ナノ構造のDNG特性に基づくMAは、負のεに関係します。 およびμ 周期的な薄い金属アレイとして一般的に使用されます。薄い金属パッチアレイは、「ドルーデ」モデルで記述された自由電子プラズマを希釈しますが、上層は損失があると見なしているため

ここでω _p 減少したプラズマ周波数​​は、薄層の幾何学的寸法ωに依存します _m は磁気共鳴周波数、γ _m 損失、 M _m 磁気共鳴の強さを決定します。

結果、分析、およびディスカッション

ユニットセルの電力と誘電特性

フォトクォンタム法によれば、ユニットセルの境界条件、特に伝搬方向、分極角、電界、H電界の電流の流れなどに一定量の電力が必要です。多結晶方向に伝播するために必要な電力[42]。式（2）および（3）は、[42、43]に触発された複雑なポインティングベクトル定理に基づいています。事実、ユニットセルが受け取る電力は全方向性の太陽光であり、吸収体を使用する電力の流れは効率を高める方向に向かわなければなりません。したがって、伝播する波のパワーは、時間平均パラメータに関連するベクトルの実数部にちょうど比例します。一方または両方のポートでの刺激電力は、ユニットセルを介して伝播します。残りのエネルギーはすべてのポートから排出されます（出力電力）。ユニットセルで受け入れられる電力は、SHPAナノアームで考慮される誘電体特性、パッチ、または集中定数素子などの損失に変換されます。 Z の複素平均電力の実数部を考慮する -方向

これは（Z _-ve にも有効です 方向）特定のポートでのエネルギーの正味の流れを記述します。式の½係数。 （2）は、時計回りのフィールドの時間平均に関連しています。電力の虚数部は、非伝播の無効エネルギーまたは蓄積エネルギーのために無視でき、送信電力を計算できます（P _T ） X に沿った平均時間パワーの観察 および Y それぞれ軸-

同様に、受け入れ電力と出力電力は[43]の式を使用して計算され、図2にプロットされています。ここで、関連する電力（図2a）とユニットセルを通過する電力（図2b）は、シミュレーション中に観測されました。刺激された電力は、スペクトル全体で0.5ワットに制限されていますが、両方のポートで受け入れられたアウトバウンド電力は、その逆の配電です。ただし、3Dパワーフローは、動作周波数範囲での双極子モーメントの慣性と不均一な材料浸透状態のために、異常な特性を示します。 430 THzから始まり、初期段階でのTHz動作には分極効果があり、715 THz以降は着実に適切な双極子効果があり、1000 THzまで続いたため、ほとんどの双極子モーメントは組織化されていません。さらに、GaAs材料の半導体特性とNiの強磁性特性が、

SHPAメタアブソーバーの配電（ a ）2D分布（ b ）ユニットセルを通る3Dパワーフロー

パワーフローですが、幸いなことにそれほど支配的ではありません。誘電特性（ε 、μ 、η ）メタマテリアルの特性を評価するための数値調査のためにSパラメータから抽出されました。 3つの異なる材料を使用したユニットセルアブソーバーは、EM波の伝播において孤立した特性を持っていますが、上部パッチにカスケード静電容量とインダクタンスを備えたこの独自の構造寸法は、個々の材料の誘電体機能の従来の特性を変更し、固有の特性を示します。ここで、透過係数（S ₂₁ ）および反射係数（S ₁₁ ）が重要なパラメータでした。

図3は、提案されたSHPAナノメタアブソーバーのすべてのシミュレーション結果を示しています。図3a、b S ₁₁ の大きさ およびS ₂₁ 実数部と虚数部の両方でほぼ一貫した大きさを持っています。赤外線範囲応答は、構造の表皮深さ（δ）効果のために3つの連続した小さな共振点を持ちますが、幸いなことに、負の誘電率、透磁率、および屈折率を取得する上で正の役割を果たします。図3c、d、eはそれぞれ、これらのプロパティの実数値と虚数値を示し、提案されたSHPAにメタマテリアルが存在することを確認します。さらに、太陽エネルギー収穫の応用の観点から、強力な熱電磁エバネッセント場[45]を考慮する必要があります。 [45、46]で実験的に言及されているように、近接場放射中に、2つの連続する材料の熱伝導が徐々に増加します。さらに、表面ポラリトンもエバネッセント波を支配し、「ドルーデモデル」によれば、ユニットセル内の波の偏光によって決定される複素誘電率と透磁率です。図3c、d、eは、誘電率と透磁率の低波長動作がこのエバネッセント波の影響を受ける誘電特性を示しています。したがって、提案されたユニットセルの負の特性が顕著に見え、良好なEM吸収を保証します。図4のSHPAナノアブソーバーの伝送線路特性とVSWR（定在波比）は、反射量を明確に示しています

SHPAメタマテリアルの特性。 a S ₁₁ 応答。 b S ₂₁ 応答。 c 誘電率。 d 透過性。 e 可視および赤外スペクトルの屈折率

スミスチャートは、正規化されたインピーダンスでのスペクトルにわたるユニットセルSHPAのVSWRを示しています

および伝送線路の性能。 430 THzインピーダンスでのVSWRは高く、ラインの半波長はソース側から負荷側への良好なマッチングがありません。したがって、EM信号の吸収量も低周波数では低くなりますが、徐々にインピーダンスを（正規化したものと）できるだけ一致させようとし、赤外線スペクトル（1000 THz）で90％を超える吸収が得られます。ユニットセルは放射要素ではなく吸収要素を表すため、したがって、負荷側のVSWRの値は高くなりません。

フィールド効果分析

光のEMの性質は、可視領域での横電磁波です。太陽からの光は、赤外線、可視光線、紫外線（UV）の3つのスペクトルに分けられます。太陽光のスペクトルエネルギー分布は、ほとんどの半導体材料と同様に可視範囲で最大強度1.5 eVですが、他の2つのスペクトルは吸収されると熱を発生します。したがって、図1bに示されている一般的な可視光EM伝搬と境界条件を考慮して、電界（Eフィールド）と磁界（Hフィールド）の数値性能を図4に示します。図ですが、全帯域幅430〜650THzは同様の電界分布を持っています。ここで、[47]

ここで、1次元ベクトル微分演算子∇は、EM波の伝播中の位相変化によってわずかに変化し、電界および磁界の成分は E です。 _m および H _m それぞれ、伝播定数\（\ gamma =\ sqrt {j \ omega \ mu \ left（\ sigma + j \ omega \ varepsilon \ right）} \）は、波の減衰と位相偏差に関連する複素数です。可視光波は波動と粒子の両方の特性を持っているため、ユニットセル材料を通過する波の伝播は、電界と電界の特性の点で変化を示します。さらに、γ 動作周波数が徐々に増加するにつれて、誘電特性と非線形の関係があります。図5は、SHPAの重要な電界成分（2.31×10 ⁶ ）での各ナノスプリットを示しています。 対数スケールのV / m）は、共振550THzに存在します。シミュレートされた周波数領域（可視およびUV）にわたって、この強い電界は振幅のわずかな変動で観察されました。水平および垂直パッチバー（4つの分割）も、振幅変動（2.08×10 ⁵ ）のフィールドコンポーネントに寄与します 〜2.31×10 ⁶ V / m対数スケール）。静電容量とインダクタンスの値が1.37×10 ^-17 の場合、SHPAユニットセル（2ステージカスケード）の過渡解析中 nFおよび3.87×10 ^-14 nHは、共振周波数フィールドの動作を加速します。 Hフィールド（図5b）は、Z方向に沿ったEM伝搬、および不均一な媒体の浸透中、式（1）から同様の効果をもたらします。 （5）は Z の関数になります 透磁率は一定です。次に、対応する波動方程式は「リカッチ微分方程式」に還元されます[48]

共振550THzでのSHPAに対する電界効果。 a Eフィールド。 b Hフィールド

ここで k は波数、 m（z） 複素屈折率です。さらに、波の位相遅延は、自由空間と媒体の位相速度の比率とともに増加します。これは、反射率を下げ、波からより多くのエネルギーを吸収するために提案されたユニットセルSHPAのもう1つの重要な貢献です。

提案されたユニットセルSHPAで研究された光波の偏光は、表面を通過する偏光波が伝搬中にエネルギーを失うため、太陽エネルギーハーベスティングのユニットセルの実現可能性を説明します。ハミルトニアンの定式化[49]は、遷移双極子行列要素が、GaAs材料への波の異なる入射角でTEおよびTM偏光によって変化することを示しています。 TEモードとTMモードの両方の分極角は40°のステップサイズを増加させ（図6）、電場分極角は磁場配向と比較して驚くほど支配的な効果をもたらします。 TEモード中、より低い範囲、約430〜650 THz（690 nm〜460 nm）[50]で、Ni-GaAs基板の組み合わせの特定の違いに対して、コア層とクラッド層の違いにより屈折率が変化し、増加します。可視波長がバンドギャップに近づくとき。したがって、そのスペクトルで観測された吸収量の変動（図6a）に対して、TM偏光は、偏光角が0°から120°に変化しても同様のタイプの変動を示します。 TMモードでは、一般に、波長が長くなると位相の不一致が大きくなります。その上、六角形の形状は、パッチのスプリットギャップと高さの変化中の吸収に大きな影響を及ぼします。スプリットギャップパッチによって形成される静電容量は変化しますが、パッチの位置による隣接する静電容量はスタンドです。図6c5nmから25nmへのスプリットギャップの変化とスプリットギャップを低くすると、かなりの静電容量があるため、優れた吸収が得られます。ギャップの変化にもかかわらず、吸収は5 nmでほぼ90％を超えたままであり、スプリットギャップが徐々に増加すると、初期吸収は430〜500 THz付近で低下しますが、シミュレーション中に全体で95％の吸収が観察されます。 SHPAの高さ（図6d）に関しては、パッチの分割が10 nmのままであるため、EM信号の伝播領域は、垂直入射と斜め入射の両方で集合的に増加し、したがって分割高さは吸収により高い値で最適化されます。 SHPAの高さまたは厚さ60nm〜90 nmの場合、平均吸収は85％〜88％であり、90nmに最適化されていることを直接示しています。

吸収に対する偏光効果。 a TE偏波。 b TM偏光とSHPA構造効果。 c スプリットギャップ対吸収。 d 高さ対吸収

ただし、SHPAの作成されたプロトタイプと測定結果は、シミュレーションデータをサポートし、調査の次のフェーズで実行されます。さらに、提案されたナノメタアブソーバーの寄与を理解するために、表2に記載されている比較図。表2で、報告された記事[51]は良好な効率を示していますが、動作周波数と狭帯域性能により、可視周波数動作に準拠できません。別の記事[52、53]は​​、太陽エネルギーハーベスティングアプリケーションについて主張していますが、帯域幅と動作​​範囲により、他の記事に比べて脆弱になっています。

結論

この論文では、太陽エネルギーハーベスティングアプリケーション用に、GaAsおよびNi基板に基づくAu6ナノアームを使用した分割六角形メタマテリアル吸収体を提案します。光量子分析と電力潮流分布は、提案されたユニットセルが光起電または太陽電池アプリケーションのための重要な光子変換の可能性を持っていることを数学的に示しています。提案されたユニットセルSHPAの性能は、誘電特性、送電線性能、電界および電力分布、パラメトリック研究の観点からの吸収に基づいて分析されました。すべてのデータは、CST MWSシミュレーションを通じてSパラメータから抽出されました。これは、DNG特性が、可視光とUVスペクトルの両方で超広帯域EM吸収（95％以上）で存在することを示しています。最適化されたヘキサパッチユニットは、10 nmのスプリットギャップであり、指定された吸収のために90nmの高さです。提案された吸収体の実験的検証は、THz範囲の環境発電アプリケーションにおいて望ましい候補であり続けるでしょう。

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

CDN：

クラシックダイポールナノアンテナ

DRI：

直接屈折率

DNG：

ダブルネガティブ

EM：

電磁気

FDTD：

有限差分時間領域

GA：

遺伝的アルゴリズム

PV：

太陽光発電

SHPA：

分割六角形パッチ配列

UV：

紫外線