Lapisan Komposit TiO₂ Hibrid Mencapai Reflektansi Difusi 80% dan Mematikan Cahaya Kilat Spekular
Abstrak
Kami mendemonstrasikan bahwa lapisan komposit TiO₂ hibrid yang difungsikan dapat mencapai reflektansi difusi luar biasa dengan memanfaatkan mekanisme pencaran permukaan dan bulk. Reflektor difusi konvensional bergantung besar pada tekstur permukaan acak; pekerjaan numerik dan eksperimental kami menunjukkan bahwa struktur hibrid terurut-urutan acak memungkinkan refleksi difusi yang efisien di seluruh spektrum visibel. Reflektansi meningkat secara signifikan dengan ketebalan lapisan, sementara komponen spekular yang bergantung pada sudut dan polarisasi sangat dikurangi, yang menekankan potensi lapisan ini sebagai reflektor difusi berkinerja tinggi untuk aplikasi fotonik canggih.
Latar Belakang
Pencaran cahaya difusi dari permukaan kasar mendasari banyak aplikasi ilmu optik dan material, yang mendorong fenomena dari tangkapan cahaya sel surya hingga desain pencahayaan [1–7]. Sementara pencaran permukaan dari dielectric yang difungsikan secara acak telah dieksploitasi secara luas [8,9], studi terbaru mengungkapkan pencaran bulk dalam media tidak homogen yang berasal dari korelasi silang antara kekasaran permukaan dan heterogenitas internal [10,11]. Paradigma dual-pencaran ini menawarkan alat yang lebih kaya untuk mengontrol intensitas dan polarisasi medan yang dicarakan [12–15] dan terintegrasi dengan mulus dengan plasmonik, antena nano, dan metamaterial, memungkinkan fungsionalitas fotonik baru [16–18].
Reflektor mikro-difungsikan hibrid telah meningkatkan manajemen cahaya dalam komponen seperti sel surya dan display [19–24]. Dengan mengarahkan ulang cahaya yang akan melarikan diri ke depan, mereka meningkatkan performa perangkat. Namun, sebagian besar desain bergantung pada tekstur permukaan acak; apakah pencaran permukaan dan bulk yang bersamaan dapat menghasilkan hasil yang lebih baik masih merupakan pertanyaan terbuka.
Dalam studi ini, kami menyelidiki susunan nanopartikel TiO₂ elips yang difungsikan yang menggabungkan pencaran permukaan dan bulk. Kami memproduksi beberapa lapisan komposit mikro-difungsikan, mengevaluasi spektrum reflektansi difusi mereka, dan memvalidasi temuan kami dengan simulasi domain waktu beda hingga (FDTD), yang mengungkapkan mekanisme yang menekan refleksi spekular dan mempromosikan pencaran isotropis.
Metode
Persiapan Produk TiO₂
Precursor TiO₂ disintesis dengan menambahkan 12,5 mL tetrabutil titanat ke dalam campuran 50 mL H₂O₂ 30 wt% dan 5 mL NH₄OH 26–28 wt% di bawah pengadukan berkelanjutan. Air destilasi dingin kemudian diperkenalkan untuk mencapai volume total 200 mL, menghasilkan larutan kuning saffron. Setelah difilter untuk menghilangkan partikel yang tidak terlarut, 10 mL precursor dipindahkan ke dalam wadah Teflon 50 mL dengan 10 mL air dan 20 mL etanol murni, dirakit, dan dipanaskan pada 180 °C selama 10 jam. Residue yang dihasilkan difungsikan, dicuci dengan air dan etanol, dan dikering pada 60 °C selama 2 jam. Untuk kristal nano anatase, volume precursor dikurangi menjadi 5 mL.
Lapisan ditumbuhi pada kaca FTO (tin dioksida difluor) melalui proses tiga langkah: (1) sintesis kristal nano anatase atau susunan melalui rute solvothermal dengan dosis precursor yang bervariasi; (2) depoersi larutan kristal nano pada substrat menggunakan metode blader dokter sambil mengontrol ketebalan dengan perekat; dan (3) aniling pasca-depoorsi pada 450 °C (5 °C min⁻¹) selama 30 menit.
Karakterisasi
Morfologi permukaan diperiksa oleh mikroskop elektron pemindai emissi lapangan (FE-SEM, HITACHI S4800) dan mikroskop transmisi elektron (TEM, Tecnai F30). Difraksi X-ray (XRD) dilakukan pada difraktometer Rigaku D/max-2500 (Cu Kα, λ = 0,1542 nm). Reflektansi difusi dan spekular bergantung pada polarisasi diukur dengan spektrofotometer Agilent Cary 5000 yang dilengkapi dengan bola integrasi 110 mm dan aksesori sudut variabel.
Hasil dan Pembahasan
Reflektansi Difusi dari Empat Lapisan Mikro-difungsikan
Empat arsitektur lapisan diproduksi (Gambar 1): kristal nano polos, campuran (campuran bobot sama kristal nano elips dan susunan sferoid), lapisan ganda (lapisan kristal nano di atas lapisan susunan), dan susunan sferika polos (nanosfera). Semua lapisan ~14 µm tebal; lapisan ganda terdiri dari dua sub-lapis ~7 µm. Citra SEM (Gambar 1a–d) menunjukkan kristal nano elips (~20 nm) dan susunan sferoid (~100 nm) yang disusun ke dalam bola ~100–600 nm dengan diameter rata-rata 330 nm (Gambar 3a).
Citra SEM dari lapisan mikro-difungsikan: a kristal nano, b campuran, c lapisan ganda, d nanosfera. Semua ~14 µm tebal.
Spektrum reflektansi difusi (400–800 nm) disajikan pada Gambar 2a. Campuran lebih unggul dibandingkan kristal nano polos, sementara lapisan ganda melebihi keduanya, yang menunjukkan bahwa susunan sferoid memberikan pencaran yang lebih unggul. Lapisan nanosfera polos mencapai reflektansi rata-rata tertinggi (~55 %) di seluruh band visibel, meskipun menurun di bawah 50 % di atas 700 nm karena pencaran yang lebih lemah dari foton energi lebih rendah oleh sel unit yang relatif kecil.
a Reflektansi difusi dari empat lapisan 14 µm. b Lapisan nanosfera yang dioptimalkan dengan ketebalan 8, 10, dan 12 µm.
Peningkatan ukuran kristal nano dan ketebalan lapisan lebih meningkatkan reflektansi. Lapisan nanosfera 8 µm yang dioptimalkan melebihi 40 % reflektansi rata-rata, tetap tinggi di seluruh spektrum. Lapisan yang lebih tebal (12 µm) mencapai hingga 80 % reflektansi antara 550–800 nm, mengonfirmasi bahwa pencaran bulk dalam struktur hibrid melengkapi pencaran permukaan untuk menangkap dan mengarahkan ulang cahaya.
Detail Struktural Lapisan Nanosfera
Citra SEM dan TEM (Gambar 3b–d) mengungkapkan bahwa bola 100–600 nm adalah susunan mesoporos dari kristal nano elips multi-orientasi (~10–30 nm). Ujung berbentuk kelopak dan permukaan tidak teratur meningkatkan efisiensi pencaran. Pola XRD mengonfirmasi fasa anatase (JCPDS 21-1271) dengan puncak yang lebar karena distribusi ukuran (Gambar 3f).
a SEM, b SEM, c TEM, d TEM, e HR-TEM citra dari lapisan nanosfera. f Pola XRD.
Mekanisme Pencaran melalui Simulasi FDTD
Model FDTD mereplikasi geometri eksperimental, menggunakan kristal nano elips (L = 60 nm, R = 30 nm) yang disusun ke dalam bola. Peta medan listrik simulasi (600 nm) menunjukkan pencaran dan resonansi yang seragam di dalam susunan (Gambar 4b). Seiring dengan peningkatan jumlah lapisan, reflektansi meningkat secara signifikan (Gambar 4c), membenarkan tren eksperimental bahwa lapisan hibrid yang lebih tebal meningkatkan pencaran balik.
a Skematis susunan nanosfera dan lapisan tiga lapis. b Distribusi medan listrik. c Reflektansi difusi yang dihitung.
Reflektansi Spekular Bergantung pada Polarisasi
Reflektivitas spekular untuk lapisan nanosfera 8 µm dan 12 µm yang dioptimalkan tetap di bawah 2 % di seluruh 400–700 nm, bahkan pada insiden sudut membelakangi, yang mengonfirmasi pematikan kilat spekular broadband yang tidak tergantung pada polarisasi (Gambar 5a–b). Di atas 700 nm, terjadi kenaikan kecil, kemungkinan karena efek nanotopografi permukaan pada foton energi lebih tinggi. Pentingnya, bandwidth dan amplitudo pengurangan spekular sebagian besar tidak tergantung pada polarisasi dan ketebalan, menekankan ketahanan susunan orientasi acak.
Reflektansi spekular untuk cahaya terpolarisasi s- (a) dan p- (b).
Kesimpulan
Kami telah memperkenalkan rute solvothermal biaya rendah untuk memproduksi lapisan mikro-difungsikan TiO₂ hibrid yang menggabungkan pencaran permukaan dan bulk. Dengan menyesuaikan ukuran kristal nano elips dalam susunan sferoid mesoporos, kami mencapai hingga 80 % reflektansi difusi dari 550 hingga 800 nm dan menekan kilat spekular di bawah 1,5 % di seluruh 400–800 nm, terlepas dari sudut atau polarisasi. Lapisan ini menunjukkan janji untuk reflektor difusi yang efisien tinggi dan lapisan manajemen cahaya dalam sel surya, display, dan perangkat fotonik lainnya.
