Anonim

Temaer

  • metamaterials
  • Optoelektroniske enheter og komponenter
  • Sub-bølgelengdeoptikk

Abstrakt

Bruk av solenergi krever perfekt lysopptak av fotovoltaiske celler, spesielt solar thermohotovoltaics (STPVs), som til slutt kan omdannes til nyttig elektrisk energi. Ultratynne nanostrukturer, navngitte metasurfaces, gir en spennende plattform for å utvikle de miniatyriserte solenergiabsorbentene som kan finne potensielle anvendelser i integrert fotonikk, optisk sensing, fargebilde, termisk bildebehandling og elektromagnetisk skjerming. Derfor er søket etter nye materialer og design for å utvikle svært effektive absorbere i liten skala et åpent emne. I dette papiret utvikles nye absorberende stoffer med wolframmetasurface som gir ultrahøy absorbanse over et bredt frekvensspekter. De foreslåtte designene er todimensjonale, polariseringsfølsomme, bredbånd og forventes å gi bedre respons under høye temperaturer som tilskrives høyt smeltepunkt for wolfram, dvs. 3422 ° C. Blant disse designene er kryssjustering funnet optimal for wolfram, fordi det er impedans i samsvar med fri plass for synlig spektrum. Dette kryssarrangementet blir ytterligere tilpasset ved å endre bredde, høyde og lengde som resulterer i 7 forskjellige optimaliserte løsninger som gir en gjennomsnittlig absorbans større enn 98%. En av disse løsningene ga en maksimal gjennomsnittlig absorbans på 99, 3%.

Introduksjon

Det moderne samfunnet er avhengig av makt til å fungere, som kommer fra forskjellige energikilder. De kan grupperes i to kategorier som "fornybar" og "ikke-fornybar". I den tidligere kategorien er solen en av de viktigste energikilder, solenergi.

Solenergien kan fanges av ulike mekanismer, men den mest potensielle er fotovoltaiske (PV) celler. Grunnfunksjonen til en PV-celle er genereringen av ladningsbærere som deretter samles i ekstern krets, og genererer elektrisk strøm 1 . På den annen side kan solenergi også fanges ved hjelp av solvarmefotovoltaik (STPV), som benytter varmestrømmen mellom varmt og kaldt lag for å generere elektrisitet. For at et STPV-system skal ha høy effektivitet, er det behov for høy absorbering av solspektre, dvs. absorbanse av fotoner varierende i energier for å skape en betydelig temperaturforskjell mellom varmt og kaldt lag 2, 3, 4 . Dette krever en svært effektiv solfanger. Andre anvendelser av absorbere finnes i optisk avkjenning 5, fargebilde 6, termisk bildebehandling 6, 7, elektromagnetisk skjerming 7, etc.

Tilkomsten av sofistikerte deponeringsteknikker tillot fremstilling av underbølgelengdestrukturer, dvs. metamaterialer (har lavere dimensjoner enn operasjonsbølgelengde). Disse metamaterialene (MMs) viser variable egenskaper enn vanlige materialer, da de gir frihet til å endre permittiviteten til et materiale, noe som igjen gir varierende brytningsindeks, og dermed oppnår en mutabel respons fra enheten. Manipulering av disse metamaterialene og metasurfaces (todimensjonal versjon av metamaterialer) tillater oss å lage forskjellige enheter som bruker mange fenomener som var umulige å observere ved bruk av bulkmaterialer som optiske koblinger 8, optiske vorter 9, 10, orbital vinkelmoment (OAM) generasjon 11, hologrammer 12, 13, 14, optisk kapping 15, traktorbjelke 16 og PLA (Perfect Light Absorbers).

Den første omtalen av en "perfekt absorber" kom i 2008 17, som viste en PLA i mikrobølgeovn på 11, 5 GHz. Samme gruppe foreslo en perfekt absorber i synlig region 18 . Siden da er mange bredbåndsabsorbenter søkt med forskjellige strukturer som benytter fenomenet resonans eller impedansmatching 19 for å maksimere absorbansen over en bestemt bølgelengde.

Bredbånd PLA er også etablert med en topologi av metall-dielektriske metall lag. Bredbåndsstrukturene som tidligere ble vist hadde forskjellige variasjoner av enklere strukturer som nanopillarer bestående av forskjellige variasjoner av sylindere 20, disker 21, 22, arrangement av kryss og sylindre 23, nanopyramider (kegler) 24, 25, 26 stenger (i form av firkant) 27, kuler, tetrahedralstruktur 28, og til og med tilfeldig avsetning av partikler 29 . En enkel struktur av firkantet og i enden er brukt som et design i denne undersøkelsen.

Stor motivasjon bak forskningen er introduksjon av wolfram ( W ) for nanostrukturlag som har høyere smeltepunkt enn noe annet metall, dvs. gull (au), sølv (ag), krom (Cr), kobber (Cu) og til og med titanitrid ) som er et ildfast materiale. Dette høye smeltepunktet av wolfram vil hjelpe wolframabsorber til å motstå høye temperaturer når du absorberer fotoner med større energi. Tidligere strukturer som involverte wolfram ble laget i form av kjegler 25, 26, men designene som presenteres i dette papiret er 2D, da de ikke varierer i z-retning (høyde). Designet som presenteres i 22 er også 2D, men det er ikke designet for synlig regime og det gir mindre absorbanse. Siden wolfram ikke støtter overflateplasmoner i optisk rekkevidde, tilskrives høy absorbanse til impedansmatching av wolframabsorber med ledig plass.

Tungstenbasert absorber

I den foreslåtte wolframbaserte absorberen for synlig regime, inneholder strukturen et jordplan bestående av et metall under et dielektrisk lag som igjen ligger under en resonerende struktur bestående av et metall som jordplan (metall-dielektrisk metall) som vist i figur 1. Det dielektriske laget består av silisiumdioksyd (Si02). Mens begge metalllagene består av wolfram. SiO 2 er valgt fordi den har relativt lav relativ permittivitet ved optisk rekkevidde, og dette forblir mer eller mindre konstant. SiO 2 gir også et relativt høyt smeltepunkt som også er en ønsket egenskap for det dielektriske laget.

Firkantet ringstruktur med w (bredde) = 50 nm, h (høyde) = 40 nm, l (lengde) = 250 nm, a (periode) = 300 nm og θ representerer kildeinsponeringsvinkelen. Ground (Ground plane) og Spacer høyder er henholdsvis 150 nm og 60 nm.

Full størrelse bilde

Den høyere temperaturen motstandsdyktig (på grunn av wolfram) av absorberen bidrar til å bedre effektiviteten i STPVer der en konsentrert lysstråle er skinnet på det varme laget for å gjøre temperaturforskjellen ved å absorbere stor mengde energi. Vanligvis blir en nanostruktur på toppen disfigured ved bruk av konsentrert stråle med høyere energi ved bruk av konvensjonelle materialer som gull (au) eller sølv (ag) 27 . Tungsten (W), som tilskrives smeltepunktet, tåler høyere energi konsentrerte bjelker. Denne fordelen av økt stabilitet ved forhøyede temperaturer kan brukes i terrestriske applikasjoner, særlig nær nær bane til solen 2 .

Et design av firkantet ringstruktur er tatt her som et utgangspunkt. Etter optimalisering av firkantet ringstruktur, observeres det at strukturen gir ubetydelig refleksjon for en kryssformet konfigurasjon av nanostrukturlaget. Korsstrukturen blir deretter analysert nærmere i detalj.

Resultater og diskusjoner

Fire stenger (kvadratstruktur) simuleringer

Simuleringer av konstruksjonene utføres trinnvis i Lumerical FDTD-løsninger. Materialegenskaper i programvaren blir utforsket i detalj og kurvmontering utføres for wolfram (Palik) og SiO 2 (Palik) for eksperimentelle verdier i 30 . Antall maksimale koeffisienter varierer fra permittivitet, noe som resulterte i 6 koeffisienter for SiO 2 og 15 koeffisienter for wolfram, da de best monterte kurven for optisk domene. En struktur av metall-dielektrisk (spacer) -metal (bakplanet-GP) av en firkantet ring dannes i utgangspunktet som et utgangspunkt som vist i figur 1.

Når stangen er parallell med x-aksen, regnes y-spenningen som sin bredde, og når den er parallell med y-aksen, anses x-spenningen som dens bredde. Hvis stengene skal lage en firkantet struktur, må de plasseres til 100 nm, når senteret av strukturen er opprinnelig (0, 0). Det vil si at høyre stang vil være ved x = 100 nm fra opprinnelse, venstre stang ved x = -100 nm, toppstang ved y = 100 nm og bunnstang ved y = -100 nm.

Garnforbedringen er satt til konform variant 1 da den inkluderer metallgrenser. Resultatene som vises i dette papiret er beskrevet med tre typer innstillinger for maskesteg [MSSs (cf supplementary Table S1) for å redusere total tid for simulering.

Simulering av denne firkantede ringstrukturen resulterte i to forskjellige absorbansekurver for to maksimale maskesteginnstillinger (MSS 1 og MSS 2) som vist i figur 2 (a).

( a ) Forskjellige nettverksinnstillinger for stangkonstruksjon. ( b ) Refleksjon ved endring av posisjon.

Full størrelse bilde

Resultatene fører til to viktige konklusjoner (i) den firkantede strukturen er ikke impedans i samsvar med ledig plass og (ii) innstillingene for mesh-trinnet spiller en liten rolle i absorbansekurven. Resultatene for absorbans beregnes ut fra ligning 1, da simuleringer gir refleksjon og overføring.

$$ A = 1- | T | - | {\ rm {\ Gamma}} | $$

(1)

hvor, A er absorbanse, T representerer overføring, og Γ viser refleksjon. Ligningen 1 kan også manipuleres i form av s-parametere, gitt ved ligning 2.

$$ A = 1- {| {S} _ {12} |} ^ {2} - {| {S} _ {11} |} ^ {2} $$

(2)

Optimalisering av stenger for Tungsten

Da strukturen av stenger ikke er impedans tilpasset for wolfram, blir det gjort variasjoner, og husk at strukturen fortsatt er polarisasjonsfølsom. Optimalisering viser at hvis stengene beveges mot motsatt retning (det vil si at toppstangen beveges mot bunnen og omvendt, og på samme måte, høyre stang mot venstre stang og omvendt), forblir strukturen fortsatt polarisasjonsfølsom, men dens effektive parametere som impedans (z), brytningsindeks (n), permittivitet (ε r ) og permeabilitet (μr) varierer. Vi kaller disse effektive parametrene som verdifall (FOM). Ved å endre den forreste nanostrukturen varierer anordningens impedans og refleksjon observeres ved å endre forskyvning av stenger over hele det optiske området som vist i figur 2 (b). Det viser også at stengene beveges bare 100 nm mot opprinnelsen (0, 0) dvs. høyre stang beveges 100 nm til venstre og omvendt, fordi ved symmetri vil videre forskyvning resultere i samme tomt (unntatt omvendt langs den horisontale retningen). Videre utvider resultatene at strukturen gir minimal refleksjon med kryssformet konfigurasjon (som i figur 3). Derfor foreslås optimal konstruksjon for den wolframbaserte absorber som kryssformet som vist i figur 3.

Kryssformet design for wolfram hvor w er bredde, h er høyde og l er lengde og θ representerer kildehalsvinkelen.

Full størrelse bilde

Den kryssformede strukturen kan ha forskjellige konfigurasjoner ved å variere dens strukturelle parametere som bredde ( w ), høyde ( h ) og lengde ( l ) som endrer total impedans av enheten. Variasjoner i kryssstruktur blir gjort ved å endre de ovenfor nevnte parametrene, og resultater av absorbans er plottet i figur 4 (a). Ved å bruke disse resultatene beregnes gjennomsnittsabsorbansen grunnet parametriske variasjoner (Var 1-Var 7) ved å summere absorbansen av alle punkter dividert med totalt antall poeng som vises i tilleggstabell S2. MSS 2 brukes til å oppnå resultater i figur 4 (a), og bare de beste resultatene vises, dvs. med 98% absorbanse som minimumsgrense. Resultatene viser at Var 2 (dvs. korsformet struktur med w = 30 nm, h = 60 nm og l = 225 nm) gir den beste absorbansen, derfor blir disse verdiene tatt som designverdier.

( a ) Ulike variasjoner av kryssdesign ved hjelp av MSS 2. ( b ) MSS-konfigurasjoner for kryss.

Full størrelse bilde

Forskjellige mesh trinninnstillinger brukes på designvariasjon 2 (Var 2) og absorbanskurver oppnås for å se om MSS 2 gir sammenlignbare resultater som vist i figur 4 (b). Var 2 er plottet ettersom den er tatt som designvariasjon.

Resultatene i figur 4 (b) viser en gjennomsnittlig absorbans på henholdsvis 99, 3455%, 99, 3141% og 99, 2943% for henholdsvis MSS 1, 2 og 3. Dette viser at MSS 1, 2 og 3 kan brukes om hverandre, da de ikke gir signifikant feil, men ved å bruke større trinninnstillinger, reduseres simuleringstiden. Derfor brukes resten av resultatene vist i papiret MSS 2.

For å forstå fenomenet høy absorbanse i denne konstruksjonen overvåkes elektriske felt fra xy-planet (like over den kryssformede strukturen), xz-planet (kuttet i midten av strukturen) og yz-planet for fire bølgelengder (λ = 400 nm, 500 nm, 600 nm og 700 nm) som vist i supplerende figur S2. Disse bildene viser sterk feltplassering for høyere bølgelengder (som λ = 700 nm og 800 nm) og det reduseres når bølgelengden minker, som vist i tilleggsbilde S2. Dette kan videre utarbeides av \ {{P} _ {abs} = \ frac {1} {2} \ omega \ varepsilon ^ {\ prime \ prime} E ^ {2} \).

Resultatene av felt-lokalisering indikerer et mønster av absorbanse av den foreslåtte absorberen som holder den imaginære delen av relativ permittivitet av wolfram i tankene (vist i supplerende figur S1). Den imaginære delen av relativ permittivitet av wolfram øker fra 16 til 22 og for 400-700 nm (omtrentlig) og senker deretter til ca. 19 ved 800 nm som vist i tilleggsskjema S1. I virkeligheten skal bidraget fra det fremre lag av det kryssformede bli betydelig ved 700 nm, men dette bidraget bør gi en avtagende trend etter 700 nm (foreslått av trenden av permittivitet) som er bekreftet ved å finne P abs for dette absorber forsynt av supplerende figur S3. For å undersøke den tidligere utviklede hypotesen ved simuleringer, oppnås bidragene fra frontlag (kryssformet nanostruktur og SiO 2- lag) og bakslag (grunnplan av Tungsten) til absorbansen ved simulering. Nær observering antyder at hvis absorbanse fra ett lag og total absorbans er kjent, beregnes absorbansen fra ukjent lag ved å subtrahere de to. I vårt tilfelle beregnes det totale absorbans- og backslagets absorbanse via simulering, og frontlagets bidrag tas ved å subtrahere. Fordeling av absorber i to lag er laget på grunnlag av to fenomener absorpsjonsarbeid parallelt, dvs. inneboende dielektrisk tap i bakslag og dielektrisk resonans på grunn av frontlag.

Resultatene i figur 5 viser at størrelsen av bidraget fra begge lagene (frem og tilbake) er ganske høyt og antyder at baklag bidrar mer til den totale absorbansen til λ = 575 nm, men etter det er frontlagets bidrag sammenlignbart høyere enn absorbansen oppnådd av baklaget. Dette antyder at det indre tapet innvendig på grunn av baklaget er høyere til λ = 575 nm, men etter at resonansen blir sterkere og bidrar mer til absorpsjon også observert i supplerende figur S2. Denne utbyggingen hjelper oss å forstå det underliggende fenomenet som er direkte ansvarlig for denne ultrahøye absorbansen.

Front- og backslagets bidrag til absorbans.

Full størrelse bilde

Resonansen i forsiden blir ytterligere utforsket ved å ta en stang (stav av wolfram med lengde 225 nm i x-retning og en stang av samme lengde i y-retning) en om gangen og simulere strukturen med forskjellige polarisasjoner dvs. x-polarisasjon og y-polarisasjon. Resultatene som presenteres i supplerende figurer S4-S7, viser at resoneringsstengene gir nesten den samme ultrahøye absorbansen for deres respektive polarisasjon, dvs. x-spannet bar for x-polarisasjon og y-spannet bar for y-polarisasjon, men når simulert for annen polarisasjon, resultatene reduseres vesentlig. For å holde strukturen polarisering ufølsom, er kryssformet struktur valgt, som gir de samme resultatene for begge polarisasjoner.

Denne ultrahøye absorbansen oppnås fordi den kryssformede wolframabsorberen er impedans i samsvar med det frie rommet. Et teoretisk bevis på denne observasjonen kan oppnås dersom s-parametre av strukturen er kjent. S-parametrene kan også bidra til å finne den generelle refleksjonen og overføringen og dermed absorbansen ved å benytte ligning (2). I denne forbindelse har vi brukt analysegruppe Lumerical FDTD-løsninger for å numerisk trekke ut s-parametrene til enheten vår, hvor resultatene er plottet i figur 6 (a) og (b).

( a ) Virkelig del av s-parametere. ( b ) Imaginær del av s-parametere. ( c ) Virkelig del av verdifall. ( d ) Imaginær del av verdifall.

Full størrelse bilde

Når s-parametere er kjent, kan andre relaterte parametere som impedans, brytningsindeks, relativ permittivitet og relativ permeabilitet av anordningen beregnes ved å bruke ligningene 31, 32, 33, 34 nevnt nedenfor.

$ {{}} {{1} {{}} {{}} {{}} {{}} _ {11})} ^ {2} - {S} _ {21} ^ {2}}} $$

(3)

hvor,

z representerer impedansen.

Den effektive brytningsindeksen for den samlede strukturen (kombinasjon av front- og bakslag) kan beregnes som 31, 32, 33, 34 .

$$ n = \ frac {-i \, \ mathrm {ln} ({e} ^ {i {k} _ {o} d})} {{k} _ {o} d} $$

(4)

hvor,

i = imaginært tall og

d = absorberens tykkelse (dens høyde).

I ovennevnte ligning er \ ({e} ^ {{in} {k} _ {0} d} \) definert som.

$$ {e} ^ {i {k} _ {o} d} = X \ pm i \ sqrt {1- {X} ^ {2}} $$

(5)

hvor,

\ {X} \ {{}} {{}} {{}}}}

\ ({k} _ {o} = \ frac {2 \ pi} {\ lambda} \) er bølgenummeret til ledig plass.

For å ansette over matematiske uttrykk, velges impedans og brytningsindeksens verdier slik at reell verdi av impedans og imaginær verdi av brytningsindeksen skal være større enn 0 31, 32, 33, 34 . Etter å ha oppnådd n og z, kan den effektive permittiviteten (ε r ) og den effektive permeabiliteten (μr) bli funnet ved hjelp av følgende formler 31, 32, 33, 34.

$$ {\ varepsilon} _ {r} = \ frac {n} {z} $$

(6)

$$ {\ mu} _ {r} = nz $$

(7)

Figur 6 (c) og (d) representerer de virkelige og imaginære tegningene av figurer av verdier [FOMs; z, n, ε r og μ r ] som er hentet fra analysegruppen av Lumerical FDTD-løsninger [som bruker ligninger (3) til (7) for å plotte dem]. Programvaren gjelder samme betingelse for å få "n", men velger negativ verdi av kompleks komponent av "z", noe som er litt annerledes enn den som tidligere nevnt. For reproduksjons skyld er kun programvaresultatene vist her, men tilsvarende betingede resultater, hvor reell verdi av "z" større enn 0 er tatt, er vedlagt i supplerende figurer S7 og S8. Disse resultatene viser tydelig at enheten er impedans i samsvar med det frie rommet, da z nesten forblir enhet for det optiske regimet. Denne faktoren alene etablerer bakken for en perfekt lysabsorber.

Bortsett fra at impedansen er matchet, bør ytelsen til en god absorber ikke bli forverret på grunn av variasjoner i kildens hellingsvinkel. Derfor simuleres den kryssformede absorberen videre for s-polarisert og p-polarisert lys for å finne ut variasjonene i absorbansen. Resultatene av hendelsesvinkel θ (theta) med hensyn til bølgelengder i synlig regime er vist i henholdsvis figur 7 (a) og (b), s-polarisert og p-polarisert. Resultatene i figur 7 (a) og (b) viser at strukturen er svært optimalisert for kilder, s og p polarisert, med større innfallsvinkel. Strukturen gir nesten en enhetabsorbans for vinkler så høyt som 70 ° (θ 70 °). Designet mister sin perfekte absorbans i begge tilfeller av s og p polarisert kilde.

( a ) Vinkel av forekomst versus bølgelengde for s-polarisert kilde. ( b ) Incidasjonsvinkel mot bølgelengde for p-polarisert kilde.

Full størrelse bilde

Denne kryssformede strukturen sammenlignes også for andre metaller (og ildfast keramisk titanitrid "TiN") ved å erstatte wolfram fra nanostruktur og jordplan uten å endre noen andre dimensjoner. Resultatene er oppsummert i tilleggs Tabell S3, og responsen av disse absorberne for synlige regimer er plottet i figur 8. Plottet indikerer at wolframbasert konfigurasjon er best optimalisert for en kryssformet absorber, selv om absorbansen av jern "Fe" er nær . Ædelmetaller som sølv "Ag" og gull "Au" gir ikke så mye absorbanse som wolfram.

Absorbans oppnådd av forskjellige metaller og TiN.

Full størrelse bilde

Hovedprinsippet for absorbanse i andre metaller og TiN er impedans matching og overflate plasmonisk resonans 35, 36 . Dette er imidlertid ikke sant for tilfellet av wolframbaserte strukturer, da overflateplasmoner ikke eksisterer for wolfram i det synlige spektret 30, 35 . Derfor er denne høye absorbansen av den foreslåtte (wolframbaserte) konstruksjonen oppnådd utelukkende på grunn av dens impedans som samsvarer med ledig plass, som kan bekreftes av det fremre tapet av det fremre lagets resonans og bakslaget.

Integrasjon av absorber i fotovoltaik

Et effektivt STPV-system og soltermoelektrisk generator (STEG) består av solabsorber blant andre komponenter 2 . Den medfølgende wolframbaserte absorberen er for solabsorberende del av STPV og STEG. En effektiv absorber kan også gjøres for fotovoltaisk celle som benytter fenomenet elektronhullspargenerasjon, ved å endre substratet (SiO 2 ) i W-SiO 2 -W-strukturen presentert i dette papiret i et halvledermateriale som silisium (Si ). En svært optimalisert struktur for integrasjon i fotovoltaiske celler er presentert i tilleggstabell S4 i seksjon F. Elektronhullspar vil bli generert i silisiumlag og samlet inn på topp nanostrukturlag.

Konklusjon

Meget effektiv og flat optisk nanoabsorber basert på wolfram (med ultrahøy smeltepunkt på 3422 ° C) undersøkes. Den foreslåtte ultratynne absorberen overpresterer tidligere rapporterte metallbaserte absorbere når det gjelder effektivitet, driftsspekter og smeltepunkt, noe som resulterer i høyere stabilitet av kryssnanostruktur. Kryssens symmetriske geometri gjør det polarisert ufølsomt som er en lovende egenskap hos absorberen. Den betydelige absorbansen oppnås ved denne utformingen på grunn av dens impedans som samsvarer med det frie rommet, som også kan forklares ved egentlig tap i bakslag og resonans i frontlag. Videre undersøkelser avslører at den presenterte absorberen oppnår høy absorbering for kildene som forekommer ved forhøyet vinkel theta (θ <70 °).

Tilgjengelighet av materialer og data

Forfatterne pålegger ingen restriksjoner i reproduksjonen av designet og alle dataene er oppgitt inne i manuskriptet.

bekreftelser

MQM anerkjenner den økonomiske støtten ved Informatikkuniversitetet i Punjab, Lahore Pakistan. JR anerkjenner den økonomiske støtten fra National Research Foundation (NRF) tilskudd (NRF-2017R1E1A1A03070501, NRF-2015R1A5A1037668, CAMM-2014M3A6B3063708) og IK anerkjenner global Ph.D. fellesskap (NRF-2016H1A2A1906519) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (MSIT) av koreansk regjering.

Elektronisk tilleggsmateriale

  1. Tilleggsinformasjon

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar, godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe fornærmende eller som ikke overholder våre vilkår eller retningslinjer, merk det som upassende.

Anbefalt Redaksjonens