2つの高損失共振器を重ね合わせることによる数層吸収体の帯域幅の拡大

はじめに

吸収率が高く幅広い光吸収器は、熱太陽光発電[10,11,12]を含む多くのアプリケーションにとって、長い間、主要な科学技術目標[1,2,3,4,5,6,7,8,9]でした。 、13、14、15]、蒸気発生[16、17]、および光検出[18]。近年、サブ波長ユニットセルの2Dアレイから作られた人工的に構造化された材料である光学メタマテリアル/メタ表面吸収体が広く研究され、開発されています[1、2]。テーパー溝[20、21、22]、およびピラミッド型デザイン[23、24]。 2Dアレイに基づくこれらの吸収体の性能向上に多大な努力が払われていますが[25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37]、これらのほとんどのナノ構造の製造の複雑さ、電子ビームリソグラフィー（EBL）[20]、集束イオンビーム（FIB）ミリング[23]、ナノインプリントリソグラフィー[22]、またはリソグラフィー技術[24]を必要とするため、さらなるアップスケーリングが妨げられます。

これらの問題を解決するために、リソグラフィーのない平面設計の概念に基づく1Dメタサーフェスは、近年集中的な調査のトピックになっています[1、5、8、25、26、27]。最近、科学者は、いくつかの数層構成（単一の貴金属層、絶縁体-金属（IM）、および金属-絶縁体-金属（MIM）構造など）の吸収能力を証明しました[1、8、25、26、27、 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48]、これは吸収された熱の局所的な蓄積に有利です。まず、貴金属（AuやAgなど）に基づく単純な平面構成の場合、吸収帯域幅（ A > 90％）は、表面プラズモンポラリトン（SPP）効果メカニズム[1,2,3,4,5,6,7,8]のみによって吸収が引き起こされるため、500nmよりも小さくなります。 SPP効果に基づくこれらの吸収体は、運動量の一致条件[1,2,3,4,5,6,7,8]により、本質的に角度に依存する特性も示します。さらに、IMまたはMIM平面構成に基づく貴金属を使用するいくつかの吸収体も提案され、ファブリペロー（FP）共鳴を使用して実証されました。ただし、これらの平面吸収体（Ge / Au [48]やAg / Si / Ag [49]など）の場合、吸収帯域幅（ A > 80％）は、FP共鳴を1つだけ使用するため、通常300nm未満です。一方、上記の吸収体のほとんどの貴金属の材料費は高価です[1,2,3,4,5,6,7,8、48,50]。最近、いくつかのグループが、MIM平面ナノ構造に基づく非貴金属（MoやGrなど）を使用して、光吸収体を実証しました[50、51]。 Mo / Al ₂ O ₃ 単一のFebry-Perot（FP）共鳴に基づく/ Mo吸収体は、400〜900 nmで90％を超える吸収を示しました[50]。 Cr / Al ₂ O ₃ 1つのFP共鳴に基づく/ Cr吸収体は、400〜1150 nmで90％を超える吸収を示しました[51]。報告されているほとんどの数層平面吸収体の場合、帯域幅∆ λ _BW （A> 90％）可視近赤外波長では750nm未満です。一方、1つのFP共鳴に基づくこれらのMIM平面ナノ構造の場合、400〜1000 nmの波長での平均吸収効率は、TE偏光入射下で40°を超える入射角で90％を下回ります。このような角度に依存するスペクトル特性は重大な欠点であり、吸収体を実際の使用に適用することを困難にします。したがって、全方向性、広帯域、および効率的な吸収を実現するための数層の非高貴な1Dメタサーフェスの設計と実現は困難ですが、実際のアプリケーションには必要です。

ここでは、2つの高損失共振器を重ね合わせて帯域幅（Δλ）を広げる、数層の非高貴な1Dメタサーフェスを提案して実験的に示します。 _BW ）吸収体の。数層の非貴金属1Dメタ表面は、厚い金属膜上の誘電体/金属/誘電体の薄層であり、2つの高損失共振器で構成されています。 2つの高損失共振器が重なっているため、提案されているメタサーフェスの平均吸収効率は、400〜1200 nmの波長で97％を超えています。吸収帯域幅（ A > 90％）は最大1000 nm（410–1410 nm）であり、それよりも大きい（∆ λ _BW =750 nm [51]）以前のMIM平面吸収体[1,2,3,4,5,6,7,8、48,50]。さらに、0〜65°までの広範囲の入射角の平均吸収は、350〜1000 nmの範囲の波長ですべて90％を超えます。これにより、波長400〜1000 nmでの平均吸収効率が高い以前のMIM平面吸収体[1,2,3,4,5,6,7,8、48、50]と比較して、吸収体が実際のアプリケーションにとってより有益になります。 TE偏光入射下で40°を超える入射角の場合、90％を下回ります。メタ表面は、ガラス基板とフレキシブルPET基板への電子ビーム蒸着の単一ステップによって製造されます。非貴金属メタ表面の測定された吸収スペクトルは、シミュレーション結果とよく一致しています。極薄吸収層（厚さ=10 nm）での効率的な光吸収と光熱エネルギー変換により、非貴金属メタ表面は、ハロゲン光源（ P =1.2 kW / m ² ）。上昇した温度（ΔTe=25.1 K）は、金粒子のメタ表面に基づく最近報告された太陽光吸収体の温度（ΔTe=12°C、 P ）よりも高くなっています。 =2.4 kW / m ² ）[48]および金/ニッケルプラズモンメタ表面（ P の下でΔTe=8°C =1.2 kW / m ² ）[49]。実際のアプリケーションでは、メタサーフェスがハロゲン光源（ P ）の下で氷を除去できることを示します。 =1.2 kW / m ² ）。これは、金/ TiO ₂ に基づく以前の太陽氷結防止作業と比較してより効率的です。 P のハロゲン光源を使用した粒子メタ表面 =2.4 kW / m ² [48]。当社の1D数層メタ表面のリソグラフィーなしの製造は、スケーリングが容易であり、実際の光熱アプリケーションでの広範な使用を容易にします。

設計と方法

設計された1D数層メタ表面は、図1aに示すように、厚い金属膜上の絶縁体/金属（高損失）/絶縁体の薄層で構成されています。上の3つの薄い層の厚さは h です ₁ 、 h _m 、および、 h ₂ 、 それぞれ。照明光は、IM平面ナノ構造の誘電体-空気界面と誘電体-金属界面で前後に反射し、図1b（共振器1）に示すように共振器を構築します[48]。レゾネーター1の長さは h です。 ₁ 。同様に、金属（高損失）/絶縁体/金属（高損失）平面ナノ構造も共振器[49,50,51]（図1cの共振器2で示される）であり、共振器2の長さはhです。 ₂ 。 2つの共振器の共振条件は

1D数層メタサーフェスの設計

ここで、λ _res は共振波長です。 n _i および t _i はそれぞれ絶縁体層の屈折率と厚さです。 m は、共振モードの次数を決定する整数です。 Φ _b およびΦ _t 2つの反射から取得された位相シフトです。式に基づく。 （1）、 t を増やすことによって _i 、共振波長λ _res 赤方偏移します。また、厚みが増すと（ t _i ）絶縁体層の場合、共振モードの数が増加します。吸収を増やし、動作帯域幅を広げるため（∆ λ _BW ）共振器のうち、上層と下層の両方に高損失金属材料を採用しています。ご存知のように、自然界にはTi、W、Niなどの高損失物質がたくさんあります。これらの材料は安価です。ここで、高損失金属（第２層および第４層）としてＴｉを選択する。 MgF ₂ 1番目と3番目のレイヤーとしてレイヤーが選択されます。 SiO ₂ などの他の同様の誘電体 、TiO ₂ 、およびポリマーは誘電体層としても使用できます。

図1aの構造に2つの共振器があることを証明するために、図1b、cのIMおよびMIM平面構造の吸収スペクトルをそれぞれシミュレートして示しています。メタサーフェスの吸収は、 A の式を使用して計算できます。 =1 − R − T 。提案された構造をシミュレートするために、2次元有限差分時間領域（FDTD）法が実行されます。垂直に入射する光は、負のz方向に沿って入射し、偏光はx方向に沿って入射します。メッシュサイズは1nmに設定されています。周期境界条件はx方向とy方向に適用されます。完全一致層（PML）は、モデルの上下の境界に実装されています。誘電体および金属材料の誘電率の値については、[53]の実験データが使用されます。実験では、設計されたメタサーフェスは、Eビーム蒸発器を使用して製造されます。メタサーフェスの光透過（T）および反射（R）スペクトルは、島津UV3600分光光度計によって測定されます。

シミュレーション結果とディスカッション

図1bのIM構造の場合、MgF ₂ / Ti平面構造はMgF ₂ に配置されます 基板、および厚さ（ h _m ）のTi層は10nmです。図2aに示すように、誘電体層の厚さが増すにつれて、MgF ₂ の共振モードの数を観察できます。 / Ti層の構造は徐々に増加し、式（1）とよく一致します。 （1）。これは、MgF ₂ 図1bの/ Ti層構造はです レゾネーター[48]。一方、低い共振モード（誘電体層の薄い厚さに対応）の方が帯域幅が広いこともわかります（Δλ _BW ）。図1cのMIM構造の場合、厚さ（ h ₂ ）上部のTi層は10 nmになるように設計されていますが、下部のAgは透過光を遮断するために無限大です。同様に、明らかな共振の振る舞いを見ることができ、低次の共振モードはより広い帯域幅を持っています（∆ λ _BW ）、図2bに示すように。

a MgF ₂ の構造のシミュレートされた吸収スペクトル / Ti / MgF ₂ h が異なるレイヤー ₁ 。 b Ti / MgF ₂ の構造のシミュレートされた吸収スペクトル 異なる h の/ Tiレイヤー ₂ 。 c MgF ₂ からなるメタ表面構造のシミュレートされた吸収/透過/反射スペクトル / Ti / MgF ₂ 基板上の/ Ti層。 d 2つの吸収ピークの波長での構造の消費電力密度の計算

広帯域吸収スペクトルを得るために、共振器1と共振器2の両方が、厚さ（ h ）を適切に選択することにより、最低次の共振モードで動作します。 ₁ =105 nm、 h ₂ =95 nm）の2つの誘電体（位相整合）層。誘電体-空気界面と誘電体-金属界面の反射率が比較的低いため、基本共振モードの光損失は大きくなります。図2cは、350〜1500 nmの範囲の可視および近赤外波長にわたるメタ表面の吸収（赤い実線）のシミュレーション結果をプロットしたものです。図2cに示すように、2つの共振器が存在するため、短波長（約470 nm）と長波長（約790 nm）に2つの吸収ピークがあります。これらの2つの共振ピークは、2つの共振器の相互作用のために、孤立した共振器の共振ピークからわずかにずれています。共振器が重なっているため、1Dの数層のメタ表面は、350〜1200 nmの波長で97％を超える平均吸収効率を示します。動作帯域幅（ A > 90％）の∆ λ _BW =1000 nmはそれらよりも大きい（∆ λ _BW IMおよびMIM構造に基づく以前の太陽光吸収体の≤750nm）[1,2,3,4,5,6,7,8]。

1Dメタ表面吸収体の物理的メカニズムをさらに検証するために、2つの吸収ピークでの電力損失密度分布のマップが計算され、その結果が図2dに示されています。予想通り、入射光は主に薄い吸収（高損失金属）層で吸収されます。さらに、提案された構造設計の有効性と普遍性を証明するために、他の高損失金属によるメタ表面の性能もシミュレートします。たとえば、他の金属（W、Ni、Crなど）を使用した非貴金属メタ表面の吸収、透過、反射のシミュレーション結果は、追加ファイル1：図S1に示されています。シミュレーションでは、第1層と第3層の材料はMgF ₂ です。 。 Wを使用したメタ表面も、350〜1000 nmの範囲の波長で97％を超える平均吸収を示します。

吸収層の厚さが異なるメタ表面の吸収スペクトルが計算され、図3aで説明されています。メタ表面吸収体は、薄い吸収層の厚さの広い範囲（6 nm < d ）内で、400〜1200 nmの波長で平均吸収を90％以上に維持します。 _m <16 nm）。この結果は、薄い吸収層の厚さの広い範囲で高い吸収性能を達成できることを示しており、これは便利な製造に適しています。ただし、単一の共振器のみを使用する以前の作業では、効率的な吸収を実現するために、重要な結合条件に対して高精度の薄い吸収層の厚さが必要です。

a 異なる h のメタ表面構造のシミュレートされた吸収スペクトル _m 。 b – c b 下のメタ表面吸収体の角度依存吸収スペクトル TE偏光および c それぞれTM偏光。 d TE偏光およびTM偏光の0°から80°までのさまざまな入射角での350から1000nmの範囲の平均吸光度。 e 計算された太陽から熱への効率（ C =1000）TE偏光およびTM偏光の0°から80°までのさまざまな入射角で

角度と偏光の依存性も光吸収体を評価するための重要な基準であるため、図3b、cに示すように、横電気（TE）モードと横磁気（TM）モードの両方について、さまざまな入射角での吸収スペクトルをさらに計算します。 。 350〜1000 nmの範囲の波長での平均吸光度も計算され、図3dに示されています。 350〜1000 nmの範囲の波長での平均吸光度が、65°の高い入射角で90％を超えて維持されていることがはっきりとわかります。それらの平均吸収は、入射角の増加とともにわずかに減少し、TE偏光およびTM偏光下で最大75°の入射角で最大80％です。 1つの共振器に基づくこれらの以前の数層平面ナノ構造の場合、400〜1000 nmの範囲の波長での平均吸収効率は、TE偏光入射下で40°を超える入射角で90％を下回ります。[1,2,3 、4,5,6,7,8、48、50]。これらの結果は、このメタ表面が、以前の数層平面吸収体と比較して、角度に依存しない最高の性能を備えていることを示しています[1,2,3,4,5,6、 7,8]。その理由は、以前に報告されたほとんどの数層平面吸収体は、1種類の吸収メカニズムのみに基づいているためです。ただし、吸収体での吸収は、2つの高損失共振器の重ね合わせに基づいています。シミュレートされた吸収スペクトルに基づいて、太陽から熱への変換効率を計算しますƞ 、次のように[52]

ここで E _α 総日射吸収率です。 E _R は熱放射損失です。 E _ソーラー スペクトル日射量です。 E _B （λ 、 T _A ）は、温度 T での黒体放射です。 _A ; Cは、通常1〜1000のオーダーの濃度係数です[52]。計算結果は図3eの実線で表示されます。アブソーバーは高い性能を発揮しますƞ _太陽熱 θの入射角を持つTE偏光下で> 0.9 図3eに示すように、<=60°。その間、吸収体はƞのままです> =0.9入射角θのTM偏光下 図3eに示すように、<=55°。この性能は、以前のソーラーアブソーバーよりも優れています[52]。 ƞ 参考文献のさまざまな入射角で。 [52]は、図3eの点線で示されています。 TM偏波の場合、ƞ 私たちの吸収体のそれは[52]の吸収体のそれより約20％高いです。これらの結果は、私たちのメタ表面の光吸収が広帯域であるだけでなく、広角でもあることを明らかにしています。

実験結果とディスカッション

提案された1Dメタ表面吸収体を検証するために、Eビーム蒸発器のみを使用して設計されたメタ表面を製造します。チタンの最下層（150 nm）、MgF ₂ のスペーサー （95 nm）、薄い吸収Ti層（10 nm）、およびMgF ₂ 層（105 nm）がガラス基板上に堆積されます。作製した吸収体の画像を図4aに示しますが、サンプルがすべて黒であることがわかります。次に、光伝送（ T ）およびメタ表面の反射（R）スペクトルは、積分球に取り付けられたShimadzu UV3600分光光度計（ISR-3100）を使用して、350〜1500nmの波長で測定されます。吸収（ A ）は、 A によって計算されます。 =1– R – T 。明らかに、2つの吸収ピークを持つ広帯域吸収スペクトルが見られ、図2cのシミュレーション結果と図4bの実験結果の間に良好な一致が見られます。実験結果の平均吸収は、350〜1200 nmの波長で97％を超えています。 BW（∆ λ _BW ）吸収が90％を超えると、最大1030 nm（350 nm〜1380 nm）になり、それよりも大きくなります（∆ λ _BW =750 nm [51]）以前に報告されたIMおよびMIM平面吸収体[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。

a ガラス基板上のメタ表面の写真。 b メタ表面構造の実験的な吸収/透過/反射スペクトル。 c PE基板上の柔軟なメタ表面の写真。 d 柔軟なメタ表面の実験的な吸収/透過/反射スペクトル。 e 非偏光下でのメタ表面吸収体の実験的な角度依存吸収スペクトル。 f 非偏光の0°から70°までのさまざまな入射角での350から1000nmの範囲の波長での実験的な平均吸収

さらに、メタサーフェス構造をフレキシブル（PE、ポリエチレン）基板に堆積します。図4cは、製造されたフレキシブルサンプルの画像を表しています。これも黒です。柔軟なサンプルの光学特性も測定され、図4dに示されています。また、350〜1100 nmの波長で95％を超える平均吸光度が得られます。図4b、dの短波長での吸収差が小さい理由は、堆積プロセスで金属/誘電体の高精度な厚さを確保することが少し難しいためです。図4eに示すように、偏光していない光を使用して、さまざまな入射角での吸収スペクトルも測定します。実験結果は、私たちの吸収体が入射角に鈍感であることを示しており、これはシミュレーション結果と一致しています。 0°から70°までのさまざまな入射角で350から1000nmの範囲で測定された平均吸光度も、図4fに示されています。350nmから1000 nmの範囲の波長で測定された平均吸光度は、入射角で90％を超えて維持されます。 65°と高く、これは図3dのシミュレーション結果とよく一致しています。 1つの共振器に基づくこれらの報告された数層平面ナノ構造の場合、TE偏光入射下で40°を超える入射角では、400〜1000 nmの範囲の波長での平均吸収効率が90％を下回ることに注意してください。[1,2 、3,4,5,6,7,8、48、50]

光熱アプリケーションにおけるメタサーフェスの可能性をさらに評価するために、その光加熱特性も特徴づけます。広帯域ハロゲン光源を使用し、XINTEST-HT18赤外線温度計でメタ表面サンプルの温度上昇を記録します。次の実験では、ハロゲン光源の出力をXINBAO-SM206光度計で測定します。図5aから、生成された熱がメタサーフェスサンプルの周囲に高度に閉じ込められていることがはっきりとわかります。柔軟なメタサーフェスは、 P のハロゲン光の下で、その表面温度を室温から25.1K上昇させます。 =1.2 kW / m ² 。表面温度の上昇は、金粒子メタ表面（ A ）に基づく最近報告された太陽光吸収体の上昇よりも高くなっています。 =83％、∆ T _e =12°C、 P =2.4 kW / m ² ）[54]および金/ニッケルプラズモンメタ表面（∆ T _e =8°C、 P =1kw / m ² ）[55]さらに、図5b、cは、メタ表面およびガラスサンプル上の凍結水滴の代表的な画像シーケンスを示しています。まず、メタサーフェスとガラスの表面に単一の水滴が堆積して凍結します。次に、ハロゲンランプライト（ P ≈1.2kW/ m ² ）メタ表面またはガラスに付着した凍結液滴で表面を照らします。メタサーフェスサンプルの場合、液滴は40秒後にスライドを開始し、約75秒以内に完全に除去されます。対照的に、同じ照明下のガラスでは、凍結液滴の変化は見られません。照明強度（ P =1.2 kW / m ² ）私たちの仕事の入射光の半分はその半分にすぎません（ P =2.4 kW / m ² ）金/ TiO ₂ に基づく以前の太陽氷結防止研究 粒子メタサーフェス[54]は、メタサーフェスが実際のアプリケーションにとってより有利であることを示しています。

a メタ表面吸収体の熱画像。 b 照らされたメタ表面とガラス上の凍った水滴の代表的なスナップショット

結論

要約すると、誘電体/金属/誘電体/金属層からなる1D非貴金属メタ表面に基づく広帯域吸収体を実現するための効率的な設計戦略が提案されました。 2つの高損失共振器を重ね合わせたため、350〜1200 nmの波長で97％を超える平均吸収が達成されました。 90％を超える吸収の帯域幅は最大1000 nm（410–1410 nm）であり、これは以前のMIM平面吸収体の帯域幅（≤750nm）よりも大きかった[1、5、8、25、26、27]。メタ表面は、単純な電子ビーム蒸着法によって製造され、大面積アプリケーションの可能性を提供します。シミュレーションと実験の結果は、吸収体の広帯域吸収が350〜1000 nmの範囲の65°という高い入射角で90％以上に保たれていることを示しました。以前の数層平面吸収体の場合、400〜1000 nmの範囲の波長での平均吸収効率は、TE偏光入射下で40°を超える入射角で90％を下回ります。[1,2,3,4,5 、6、7、8、48、50]。さらに、柔軟性は、柔軟な基板上にメタ表面を堆積することによっても実証されました。柔軟なメタサーフェスは、 P のハロゲンランプの下で、その表面温度を室温から25.1K上昇させました。 =1.2 kW / m ² 。実際のアプリケーションでは、 P のハロゲンランプの下で氷を除去するための柔軟なメタサーフェスの機能を調査しました。 =1.2 kW / m ² 。ブロードバンドで効率的な吸収を備えたこの1Dメタサーフェスは、太陽エネルギーによる疎氷性に応用できる可能性があります。

データと資料の可用性

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

BW：

帯域幅

FDTD：

有限差分時間領域

IM：

絶縁体–金属

MIM：

金属-絶縁体-金属