Memperluas Bandwidth Beberapa Lapisan Absorber dengan Menempatkan Dua Resonator Rugi Tinggi
Abstrak
Penyerapan broadband yang efisien dari radiasi matahari diinginkan untuk desalinasi air laut, fobia es, dan aplikasi energi terbarukan lainnya. Kami mengusulkan gagasan untuk melapiskan dua resonansi rugi-tinggi untuk memperluas bandwidth dari beberapa lapisan penyerap, yang terbuat dari lapisan dielektrik/logam/dielektrik/logam. Baik simulasi maupun eksperimen menunjukkan bahwa struktur tersebut memiliki efisiensi penyerapan rata-rata yang lebih tinggi dari 97% pada panjang gelombang berkisar antara 350 hingga 1200 nm. Bandwidth penyerapan yang lebih besar dari 90% mencapai 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari (≤ 750 nm) peredam planar MIM sebelumnya. Khususnya, penyerapan rata-rata dari 350 hingga 1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut datang setinggi 65 °, sementara itu tetap dipertahankan di atas 80% bahkan pada sudut datang 75 °. Kinerja insensitivitas sudut jauh lebih baik daripada peredam surya beberapa lapis sebelumnya. Penyerap metasurface nonoble 1D fleksibel dibuat dalam satu langkah penguapan. Di bawah penerangan lampu halogen P = 1,2 kW/m
2
, metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar. Eksperimen lebih lanjut menunjukkan bahwa lokalisasi panas dengan cepat melelehkan es yang terkumpul. Intensitas penerangan kami (P = 1,2 kW/m
2
) hanya setengah dari itu (P = 2,4 kW/m
2
) dalam studi anti-es surya sebelumnya berdasarkan emas/TiO2 partikel metasurfaces, menunjukkan bahwa metasurface kami adalah aplikasi toppractical yang lebih menguntungkan. Hasil kami menggambarkan jalur efektif menuju penyerap metasurface broadband dengan sifat menarik dari fleksibilitas mekanik, biaya rendah dari logam mulia, dan fabrikasi area besar, yang memiliki prospek menjanjikan dalam aplikasi pemanfaatan panas matahari.
Pengantar
Penyerap optik dengan daya serap tinggi dan luas telah lama menjadi tujuan ilmiah dan teknologi utama [1,2,3,4,5,6,7,8,9] untuk banyak aplikasi, termasuk fotovoltaik termal [10,11,12] ,13,14,15], pembangkitan uap [16, 17], dan fotodeteksi [18]. Dalam beberapa tahun terakhir, penyerap metamaterial/metasurface optik, bahan terstruktur artifisial yang terbuat dari array 2D sel satuan subwavelength, telah banyak diselidiki dan dikembangkan [1, 2], seperti kawat nano padat [19], nanotube [15], alur meruncing [20,21,22], dan desain piramida [23, 24]. Meskipun upaya besar dilakukan dalam peningkatan kinerja peredam ini berdasarkan array 2D [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37], kompleksitas fabrikasi sebagian besar struktur nano ini , yang membutuhkan electron beam lithography (EBL) [20], terfokus ion beam (FIB) milling [23], Nanoimprint lithography [22], atau teknologi Lithography [24], menghalangi upscaling mereka lebih lanjut.
Untuk memecahkan masalah ini, metasurfaces 1D berdasarkan konsep desain planar bebas litografi menjadi topik penyelidikan intensif dalam beberapa tahun terakhir [1, 5, 8, 25,26,27]. Baru-baru ini, para ilmuwan membuktikan kemampuan penyerapan beberapa konfigurasi beberapa lapisan (seperti lapisan logam mulia tunggal, struktur isolator-logam (IM), dan logam-isolator-logam (MIM)) [1, 8, 25,26,27, 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48], yang menguntungkan untuk akumulasi lokal panas yang diserap. Pertama, untuk konfigurasi planar sederhana berdasarkan logam mulia (seperti Au dan Ag), bandwidth penyerapan (A> 90%) lebih kecil dari 500 nm karena penyerapannya hanya disebabkan oleh mekanisme efek polariton plasmon permukaan (SPP) [1,2,3,4,5,6,7,8]. Peredam ini berdasarkan efek SPP juga menunjukkan sifat bawaan yang bergantung pada sudut karena kondisi pencocokan momentum [1,2,3,4,5,6,7,8]. Selain itu, beberapa absorber yang menggunakan logam mulia berdasarkan konfigurasi planar IM atau MIM juga diusulkan dan didemonstrasikan dengan menggunakan resonansi Fabry–Perot (FP). Namun, untuk penyerap planar ini (seperti Ge/Au [48] dan Ag/Si/Ag [49]), bandwidth penyerapan (A> 80%) umumnya kurang dari 300 nm karena pemanfaatan hanya satu resonansi FP. Sedangkan harga material logam mulia pada sebagian besar absorber tersebut di atas adalah mahal [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. Baru-baru ini, beberapa kelompok menggunakan logam non-mulia (seperti Mo atau Gr) berdasarkan struktur nano planar MIM untuk mendemonstrasikan peredam optik [50, 51]. Mo/Al2 O3 /Mo absorber berdasarkan resonansi Febry–Perot (FP) tunggal menunjukkan penyerapan di atas 90% dari 400 hingga 900 nm [50]. Cr/Al2 O3 Penyerap /Cr berdasarkan satu resonansi FP menunjukkan penyerapan di atas 90% dari 400 hingga 1150 nm [51]. Untuk sebagian besar peredam planar beberapa lapis yang dilaporkan, bandwidth λBW (A > 90%) dalam panjang gelombang inframerah tampak-dekat lebih kecil dari 750 nm. Sementara itu, untuk struktur nano planar MIM ini berdasarkan satu resonansi FP, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang 400–1000 nm akan turun di bawah 90% untuk sudut datang yang lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi-TE. Karakteristik spektral yang bergantung pada sudut seperti itu merupakan kelemahan yang signifikan, yang membuat peredam sulit untuk diterapkan dalam penggunaan praktis. Dengan demikian, merancang dan mewujudkan beberapa lapisan metasurface 1D non-mulia untuk mencapai penyerapan omnidirectional, broadband, dan efisien merupakan tantangan tetapi perlu untuk aplikasi praktis.
Di sini, kami mengusulkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan beberapa lapisan metasurface 1D non-mulia, yang menempatkan dua resonator kehilangan tinggi untuk memperluas bandwidth (∆λBW ) dari peredam. Metasurface 1D non-mulia beberapa lapis adalah lapisan tipis dielektrik/logam/dielektrik pada film logam tebal, dan terdiri dari dua resonator rugi-tinggi. Karena tumpang tindih dua resonator rugi-tinggi, efisiensi penyerapan rata-rata metasurface yang kami usulkan adalah di atas 97% pada panjang gelombang 400 hingga 1200 nm. Bandwidth penyerapan (A> 90%) hingga 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari itu (∆λBW = 750 nm[51]) dari peredam planar MIM sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. Selain itu, penyerapan rata-rata untuk berbagai sudut datang hingga 0–65° semuanya melampaui 90% pada panjang gelombang mulai dari 350 hingga 1000 nm. Hal ini membuat peredam kami lebih bermanfaat untuk aplikasi praktis dibandingkan dengan peredam planar MIM sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50], di mana efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang 400–1000 nm akan turun di bawah 90% untuk sudut datang yang lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE. Metasurface dibuat dengan satu langkah deposisi uap berkas elektron pada substrat kaca serta substrat PET yang fleksibel. Spektrum serapan terukur dari metasurface non-mulia cocok dengan hasil simulasi. Karena penyerapan optik yang efisien dan konversi energi fototermal pada lapisan serapan ultra-tipis (ketebalan = 10 nm), permukaan meta nonmulia menunjukkan peningkatan suhu (ΔTe = 25.1 K) saat disinari oleh sumber cahaya halogen (P = 1,2 kW/m
2
). Peningkatan suhu (ΔTe = 25.1 K) lebih tinggi daripada yang dilaporkan baru-baru ini pada peredam surya berdasarkan metasurface partikel emas (ΔTe = 12 °C di bawah P = 2,4 kW/m
2
) [48] dan metasurface plasmonic emas/nikel (ΔTe = 8 °C di bawah P = 1,2 kW/m
2
) [49]. Untuk aplikasi praktis, kami menunjukkan bahwa metasurface mampu menghilangkan es di bawah sumber cahaya halogen (P = 1,2 kW/m
2
). Ini lebih efisien dibandingkan dengan pekerjaan anti-es surya sebelumnya berdasarkan emas/TiO2 partikel metasurface menggunakan sumber cahaya halogen dengan P = 2,4 kW/m
2
[48]. Pembuatan metasurface beberapa lapis 1D kami yang bebas litografi mudah untuk diskalakan, memfasilitasi penggunaannya yang ekstensif dalam aplikasi foto-termal praktis.
Desain dan Metode
Metasurface beberapa lapis 1D yang dirancang terdiri dari lapisan tipis isolator/logam (kerugian tinggi)/isolator pada film logam tebal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Ketebalan dari tiga lapisan tipis teratas adalah h1 , hm , dan, h2 , masing-masing. Cahaya yang menerangi dapat dipantulkan bolak-balik dari antarmuka dielektrik-udara dan antarmuka dielektrik-logam dalam struktur nano planar IM, membangun resonator [48], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b (Resonator 1). Panjang Resonator 1 adalah h1 . Demikian pula, struktur nano planar logam (kerugian tinggi)/isolator/logam (kerugian tinggi) juga merupakan resonator [49,50,51] (dilambangkan dengan Resonator 2 pada Gambar 1c), dan panjang Resonator 2 adalah h 2 . Kondisi resonansi kedua resonator adalah
Di sini, λres adalah panjang gelombang resonansi. ni dan ti adalah indeks bias dan ketebalan lapisan isolator, masing-masing. m adalah bilangan bulat yang menentukan urutan mode resonansi. b dan t adalah pergeseran fasa yang diperoleh dari dua refleksi. Berdasarkan Persamaan. (1), dengan meningkatkan ti , panjang gelombang resonansi λres akan bergeser merah. Selain itu, dengan meningkatnya ketebalan (ti ) dari lapisan isolator, jumlah mode resonansi akan meningkat. Untuk meningkatkan penyerapan dan memperluas bandwidth operasi (∆λBW ) dari resonator, bahan logam rugi-tinggi digunakan untuk lapisan logam atas dan bawah. Seperti yang kita ketahui bersama, di alam terdapat banyak material dengan kerugian tinggi, seperti Ti, W, dan Ni. Bahan-bahan ini tidak mahal. Di sini, Ti dipilih sebagai logam rugi-tinggi (lapisan kedua dan lapisan keempat). Sebuah MgF2 lapisan dipilih sebagai lapisan pertama dan ketiga. Dielektrik serupa lainnya seperti SiO2 , TiO2 , dan polimer juga dapat digunakan sebagai lapisan dielektrik.
Untuk membuktikan bahwa struktur pada Gambar 1a memiliki dua resonator, spektrum serapan struktur planar IM dan MIM pada Gambar 1b, c masing-masing disimulasikan dan digambarkan. Penyerapan metasurface dapat dihitung menggunakan rumus A = 1 − RT . Metode dua dimensi finite-difference time-domain (FDTD) dilakukan untuk mensimulasikan struktur yang diusulkan. Sebuah cahaya datang biasanya datang sepanjang arah z negatif dengan polarisasi sepanjang arah x. Ukuran mesh disetel menjadi 1 nm. Kondisi batas periodik diterapkan dalam arah x dan y. Lapisan yang sangat cocok (PML) diimplementasikan pada batas atas dan bawah model. Untuk nilai permitivitas bahan dielektrik dan logam, data eksperimen pada [53] digunakan. Dalam percobaan, metasurface yang dirancang dibuat dengan menggunakan evaporator E-beam. Transmisi optik (T) dan spektrum refleksi (R) dari metasurface diukur dengan spektrofotometer Shimadzu UV3600.
Hasil dan Diskusi Simulasi
Untuk struktur IM pada Gambar. 1b, MgF2 /Ti struktur planar ditempatkan pada MgF2 substrat, dan ketebalan (hm ) dari lapisan Ti adalah 10 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, dengan bertambahnya ketebalan lapisan dielektrik, dapat diamati jumlah mode resonansi pada MgF2 / Struktur lapisan Ti secara bertahap meningkat, sesuai dengan Persamaan. (1). Hal ini menunjukkan bahwa MgF2 /Ti struktur lapisan pada Gambar. 1b adalah resonator [48]. Sementara itu, kita juga dapat menemukan bahwa mode resonansi yang lebih rendah (sesuai dengan ketebalan lapisan dielektrik yang lebih kecil) memiliki bandwidth yang lebih besar (∆λBW ). Untuk struktur MIM pada Gambar. 1c, ketebalan (h2 ) dari lapisan Ti atas dirancang menjadi 10 nm, sedangkan Ag bagian bawah tidak terbatas untuk memblokir cahaya yang ditransmisikan. Demikian pula, kita dapat melihat perilaku resonansi yang jelas, dan mode resonansi orde rendah memiliki bandwidth yang lebih besar (∆λBW ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.
a Simulasi spektrum serapan struktur MgF2 /Ti/MgF2 lapisan dengan h different yang berbeda 1 . b Simulasi spektrum serapan struktur Ti/MgF2 /Ti lapisan dengan h different yang berbeda 2 . c Simulasi penyerapan/transmisi/refleksi spektrum struktur metasurface yang terdiri dari MgF2 /Ti/MgF2 /Ti lapisan pada substrat. d Perhitungan densitas disipasi daya untuk struktur pada panjang gelombang dua puncak serapan
Untuk mendapatkan spektrum penyerapan pita lebar, baik Resonator 1 dan Resonator 2 beroperasi dalam mode resonansi orde terendah dengan memilih ketebalan yang wajar (h1 = 105 nm, h2 = 95 nm) dari dua lapisan dielektrik (pencocokan fase). Karena reflektifitas antarmuka dielektrik-udara dan antarmuka dielektrik-logam relatif rendah, mode resonansi fundamental memiliki kehilangan optik yang tinggi. Gambar 2c memplot hasil simulasi penyerapan (garis merah solid) metasurface pada panjang gelombang tampak dan inframerah-dekat mulai dari 350 hingga 1500 nm. Karena adanya dua resonator, ada dua puncak serapan pada panjang gelombang yang lebih pendek (sekitar 470 nm) dan panjang gelombang yang lebih panjang (sekitar 790 nm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Kedua puncak resonansi ini sedikit menyimpang dari puncak resonansi resonator yang terisolasi, karena interaksi kedua resonator. Karena superimposisi resonator, metasurface beberapa lapis 1D memiliki efisiensi penyerapan rata-rata lebih tinggi dari 97% pada panjang gelombang 350–1200 nm. Bandwidth operasi (A> 90%) dari λBW = 1000 nm lebih besar dari itu (∆λBW 750 nm) dari peredam surya sebelumnya berdasarkan struktur IM dan MIM [1,2,3,4,5,6,7,8].
Untuk memverifikasi lebih lanjut mekanisme fisik dari penyerap metasurface 1D, peta distribusi kepadatan disipasi daya pada dua puncak serapan dihitung, dan hasilnya digambarkan pada Gambar. 2d. Seperti yang diharapkan, cahaya datang terutama diserap di lapisan penyerap tipis (logam rugi-tinggi). Selain itu, untuk membuktikan keefektifan dan universalitas desain struktural yang diusulkan, kami juga mensimulasikan kinerja metasurfaces oleh logam kehilangan tinggi lainnya. Sebagai contoh, hasil simulasi penyerapan, transmisi, dan refleksi metasurface non-mulia dengan menggunakan logam lain (seperti W, Ni dan Cr) digambarkan dalam file tambahan 1:Gambar. S1. Dalam simulasi, bahan lapisan pertama dan ketiga adalah MgF2 . Metasurface dengan menggunakan W juga memiliki penyerapan rata-rata di atas 97% pada panjang gelombang mulai dari 350 hingga 1000 nm.
Spektrum penyerapan metasurfaces dengan ketebalan yang berbeda dari lapisan penyerap dihitung dan dibahas pada Gambar. 3a. Penyerap metasurface mempertahankan penyerapan rata-rata di atas 90% pada panjang gelombang 400-1200 nm dalam kisaran ketebalan lapisan penyerap yang tipis (6 nm < dm < 16 nm). Hasilnya menunjukkan kinerja penyerapan yang tinggi dapat dicapai dalam berbagai ketebalan lapisan penyerap tipis, yang cocok untuk fabrikasi yang nyaman. Namun, pekerjaan sebelumnya yang hanya menggunakan resonator tunggal membutuhkan ketebalan lapisan penyerap tipis dengan presisi tinggi untuk kondisi kopling kritis guna mencapai penyerapan yang efisien.
a Spektrum serapan simulasi dari struktur metasurface dengan h . yang berbeda m . b –c Spektrum serapan bergantung sudut dari penyerap metasurface di bawah b TE-terpolarisasi dan c Lampu terpolarisasi TM, masing-masing. d Absorbansi rata-rata mulai dari 350 hingga 1000 nm pada berbagai sudut datang dari 0° hingga 80° dari lampu terpolarisasi TE dan terpolarisasi TM. e Efisiensi surya-ke-termal yang dihitung (C = 1000) pada berbagai sudut datang dari 0° hingga 80° dari cahaya terpolarisasi TE dan terpolarisasi TM
Ketergantungan sudut dan polarisasi juga merupakan kriteria penting untuk mengevaluasi penyerap optik, jadi kami menghitung lebih lanjut spektrum serapannya di bawah sudut datang yang berbeda untuk mode listrik transversal (TE) dan magnetik transversal (TM), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, c . Penyerapan rata-rata pada panjang gelombang mulai dari 350 hingga 1000 nm juga dihitung dan digambarkan pada Gambar 3d. Kita dapat dengan jelas melihat bahwa penyerapan rata-rata pada panjang gelombang berkisar antara 350 hingga 1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut datang setinggi 65 °. Penyerapan rata-ratanya sedikit berkurang dengan meningkatnya sudut datang dan masih mencapai 80% untuk sudut datang hingga 75 ° di bawah cahaya terpolarisasi TE dan terpolarisasi TM. Untuk struktur nano planar beberapa lapis sebelumnya berdasarkan satu resonator, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang mulai dari 400 hingga 1000 nm akan turun di bawah 90% untuk sudut datang yang lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE.[1,2,3 ,4,5,6,7,8, 48, 50]. Hasil ini menunjukkan bahwa metasurface ini memiliki kinerja independensi sudut terbaik dibandingkan dengan peredam planar beberapa lapis sebelumnya [1,2,3,4,5,6, 7,8]. Alasannya adalah bahwa, sebagian besar penyerap planar beberapa lapis yang dilaporkan sebelumnya hanya didasarkan pada satu jenis mekanisme penyerapan. Namun, penyerapan dalam penyerap kami didasarkan pada pelapisan dua resonator rugi-tinggi. Berdasarkan spektrum serapan yang disimulasikan, kami menghitung efisiensi konversi surya-ke-termal ƞ , sebagai berikut[52]
dimana Eα adalah total serapan matahari; ER adalah kehilangan radiasi termal; Ematahari adalah radiasi matahari spektral; EB (λ ,TA ) adalah radiasi benda hitam pada suhu TA; dan C adalah faktor konsentrasi yang biasanya pada orde 1 hingga 1000[52]. Hasil yang dihitung ditampilkan oleh garis padat pada Gambar. 3e. Performa penyerap tinggi ƞpanas matahari of > 0,9 di bawah cahaya terpolarisasi TE dengan sudut datang θ < = 60 °, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Sementara itu, penyerap tetap ƞ> = 0,9 di bawah cahaya terpolarisasi TM dengan sudut datang θ < = 55°, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Performa ini lebih baik dari peredam surya sebelumnya [52]. ƞ dengan berbagai sudut datang di Ref. [52] digambarkan dengan garis putus-putus pada Gambar. 3e. Untuk polarisasi TM, ƞ penyerap kami adalah sekitar 20% lebih tinggi dari penyerap di [52]. Hasil ini mengungkapkan bahwa penyerapan optik metasurface kami tidak hanya broadband tetapi juga sudut lebar.
Hasil dan Diskusi Eksperimen
Untuk memvalidasi penyerap metasurface 1D yang diusulkan, kami membuat metasurface yang dirancang hanya dengan menggunakan evaporator E-beam. Lapisan bawah Ti (150 nm), pengatur jarak MgF2 (95 nm), lapisan Ti serapan tipis (10 nm), dan MgF2 lapisan (105 nm) diendapkan pada substrat kaca. Gambar penyerap fabrikasi digambarkan pada Gambar. 4a, dan kita dapat mengamati bahwa sampel berwarna hitam seluruhnya. Selanjutnya, transmisi optik (T ) dan spektrum refleksi (R) dari metasurface diukur pada panjang gelombang 350-1500 nm dengan spektrofotometer Shimadzu UV3600 yang dipasang pada bola integrasi (ISR-3100). Penyerapan (A ) kemudian dihitung dengan A = 1–R –T . Jelas, kita melihat spektrum penyerapan broadband dengan dua puncak penyerapan, menunjukkan kesepakatan yang baik antara hasil simulasi pada Gambar. 2c dan hasil percobaan pada Gambar. 4b. Rata-rata serapan hasil percobaan di atas 97% pada panjang gelombang 350 hingga 1200 nm. BW (∆λBW ) penyerapan lebih besar dari 90% hingga 1030 nm (350 nm-1380 nm), yang lebih besar dari itu (∆λBW = 750 nm [51]) dari penyerap planar IM dan MIM yang dilaporkan sebelumnya [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].
a Foto metasurface pada substrat kaca. b Eksperimental penyerapan / transmisi / refleksi spektrum struktur metasurface. c Foto metasurface fleksibel pada substrat PE. d Eksperimental penyerapan/transmisi/spektra refleksi dari metasurface fleksibel. e Spektrum serapan bergantung sudut eksperimental dari penyerap metasurface di bawah cahaya yang tidak terpolarisasi. f Penyerapan rata-rata eksperimental pada panjang gelombang mulai dari 350 hingga 1000 nm pada berbagai sudut datang dari 0° hingga 70° dari cahaya tak terpolarisasi
Selain itu, kami juga menyimpan struktur metasurface pada substrat fleksibel (PE, polietilen), dan Gambar 4c mewakili gambar sampel fleksibel yang dibuat, yang juga berwarna hitam. Sifat optik sampel fleksibel juga diukur dan digambarkan pada Gambar 4d, dan diperoleh penyerapan rata-rata di atas 95% pada panjang gelombang 350-1100 nm. Alasan perbedaan penyerapan yang kecil pada panjang gelombang yang lebih pendek antara Gambar 4b, d adalah karena agak sulit untuk memastikan ketebalan logam/dielektrik presisi tinggi dalam proses pengendapan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e, kami juga mengukur spektrum serapan di bawah sudut datang yang berbeda dengan cahaya yang tidak terpolarisasi. Hasil percobaan menunjukkan bahwa absorber kami tidak sensitif terhadap sudut datang, yang sesuai dengan hasil simulasi. Penyerapan rata-rata terukur mulai dari 350 hingga 1000 nm pada berbagai sudut datang dari 0° hingga 70° juga digambarkan pada Gambar 4f. Penyerapan rata-rata terukur pada panjang gelombang mulai dari 350 nm-1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut datang sebagai setinggi 65 °, yang sesuai dengan hasil simulasi pada Gambar. 3d. Perhatikan bahwa, untuk struktur nano planar beberapa lapis yang dilaporkan ini berdasarkan satu resonator, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang berkisar antara 400 hingga 1000 nm akan turun di bawah 90% untuk sudut datang yang lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE.[1,2 ,3,4,5,6,7,8, 48, 50]
Untuk mengevaluasi lebih lanjut potensi metasurface kami dalam aplikasi foto-termal, kami juga mengkarakterisasi properti pemanasan ringannya. Kami menggunakan sumber cahaya halogen broadband, dan kemudian merekam peningkatan suhu sampel metasurface dengan termometer inframerah XINTEST-HT18. Kekuatan sumber cahaya halogen diukur dengan fotometer XINBAO-SM206 dalam percobaan berikut. Dari Gambar 5a, dapat dilihat dengan jelas bahwa panas yang dihasilkan sangat terbatas di sekitar sampel metasurface. Metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar di bawah cahaya halogen P = 1,2 kW/m
2
. Peningkatan suhu permukaan lebih tinggi daripada yang baru-baru ini dilaporkan peredam surya berdasarkan metasurface partikel emas (A = 83%, Be = 12 °C, P = 2,4 kW/m
2
)[54] dan metasurface plasmonik emas/nikel (∆Te = 8 °C, P = 1kw/m
2
) [55] Selanjutnya, Gambar 5b, c menunjukkan urutan gambar representatif dari tetesan air beku pada sampel metasurface dan kaca. Pertama, setetes air diendapkan dan dibekukan pada permukaan metasurface dan kaca. Kemudian, lampu halogen menyala (P 1,2 kW/m
2
) menerangi permukaan dengan tetesan beku yang menempel pada metasurface atau kaca. Untuk sampel metasurface, tetesan mulai meluncur setelah 40 d, dan sepenuhnya hilang dalam waktu sekitar 75 s. Sebaliknya, tidak ada perubahan tetesan beku yang terlihat untuk kaca di bawah pencahayaan yang sama. Perhatikan bahwa, intensitas iluminasi (P = 1,2 kW/m
2
) dari cahaya insiden dalam pekerjaan kami hanya setengah dari itu (P = 2,4 kW/m
2
) dalam studi anti-es surya sebelumnya berdasarkan emas/TiO2 partikel metasurfaces[54], menunjukkan bahwa metasurface kami lebih menguntungkan untuk aplikasi praktis.
a Gambar termal dari penyerap metasurface. b Cuplikan representatif dari tetesan air beku pada metasurface dan kaca yang diterangi
Kesimpulan
Singkatnya, strategi desain yang efisien diusulkan untuk mencapai penyerap broadband berdasarkan metasurface non-mulia 1D, yang terdiri dari lapisan dielektrik/logam/dielektrik/logam. Karena pelapisan dua resonator rugi-tinggi, penyerapan rata-rata di atas 97% pada panjang gelombang 350–1200 nm tercapai. Bandwidth penyerapan yang lebih besar dari 90% mencapai 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari (≤ 750 nm) peredam planar MIM sebelumnya [1, 5, 8, 25,26,27]. Metasurface dibuat dengan metode deposisi E-beam sederhana, memberikan kemungkinan aplikasi area yang luas. Hasil simulasi dan eksperimen menunjukkan bahwa penyerapan pita lebar dari peredam kami dipertahankan di atas 90% pada sudut datang setinggi 65° mulai dari 350 hingga 1000 nm. Untuk peredam planar beberapa lapis sebelumnya, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang berkisar antara 400 hingga 1000 nm akan turun di bawah 90% untuk sudut datang yang lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE.[1,2,3,4,5 ,6,7,8, 48, 50]. Selain itu, fleksibilitas juga ditunjukkan dengan mengendapkan metasurface pada substrat yang fleksibel. Metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar di bawah lampu halogen P = 1,2 kW/m
2
. Untuk aplikasi praktis, kami menyelidiki kemampuan metasurface fleksibel untuk menghilangkan es di bawah lampu halogen P = 1,2 kW/m
2
. Metasurface 1D dengan broadband dan penyerapan yang efisien ini mungkin memiliki aplikasi potensial dalam icephobisitas yang digerakkan oleh energi surya.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang dihasilkan selama dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
