Penyerapan Matahari di atas 97% dari 350–1200 nm dengan Desain Resonator Dual High-Loss

Abstrak

Penyerapan radiasi matahari yang efisien dan lebar diperlukan untuk dessalinasi air laut, icephobicity dan aplikasi energi terbarukan lainnya. Kami mengajukan ide untuk menimpa dua resonansi high-loss untuk memperluas bandwidth absorber beberapa lapis, yang terbuat dari lapisan dielectric/logam/dielectric/logam. Baik simulasi maupun eksperimen menunjukkan bahwa struktur memiliki efisiensi penyerapan rata-rata di atas 97% pada panjang gelombang dari 350 hingga 1200 nm. Bandwidth penyerapan yang lebih besar dari 90% mencapai 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari (≤ 750 nm) dari absorber MIM datar sebelumnya. Khususnya, rata-rata penyerapan dari 350 hingga 1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut insiden setinggi 65°, sambil tetap di atas 80% bahkan pada sudut insiden 75°. Kinerja ketidaksensitifan sudut jauh lebih baik daripada absorber matahari beberapa lapis sebelumnya. Absorber metasurface 1D non-logam fleksibel diproduksi dalam satu langkah evaporasi. Di bawah sinlampu halogen P = 1,2 kW/m², metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar. Eksperimen lebih lanjut menunjukkan bahwa pelokalisasi panas dengan cepat melelehkan es yang terakumulasi. Intensitas iluminasi kami (P = 1,2 kW/m²) hanya separuh dari yang (P = 2,4 kW/m²) dalam studi anti-es matahari sebelumnya berdasarkan metasurface partikel emas/TiO₂, menunjukkan bahwa metasurface kami lebih menguntungkan untuk aplikasi praktis. Hasil kami menggambarkan jalur yang efektif menuju absorber metasurface lebar dengan properti menarik berupa fleksibilitas mekanis, biaya rendah logam non-logam, dan produksi luas area, yang memiliki prospek menjanjikan dalam aplikasi pemanfaatan panas matahari.

Pendahuluan

Absorber optik dengan penyerapan tinggi dan lebar telah lama menjadi tujuan ilmiah dan teknologi utama [1,2,3,4,5,6,7,8,9] untuk banyak aplikasi, termasuk photovoltaik termal [10,11,12,13,14,15], generasi uap [16, 17], dan fotodeteksi [18]. Dalam beberapa tahun terakhir, absorber metamaterial/metasurface optik, bahan buatan terstruktur yang terdiri dari array 2D sel unit subpanjang gelombang, telah banyak diteliti dan dikembangkan [1, 2], seperti nanowire yang dipadatkan [19], nanotub [15], celah runcing [20,21,22], dan desain piramid [23, 24]. Meskipun upaya besar dilakukan untuk meningkatkan kinerja absorber ini berdasarkan array 2D [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37], kompleksitas produksi sebagian besar struktur nano ini, yang memerlukan litografi sinar elektron (EBL) [20], pengasongan ion terfokus (FIB) [23], litografi nanoimprint [22], atau teknologi litografi [24], menghambat skalasi lebih lanjut.

Untuk mengatasi masalah ini, metasurface 1D berdasarkan konsep desain datar tanpa litografi menjadi topik investigasi intensif dalam beberapa tahun terakhir [1, 5, 8, 25,26,27]. Baru-baru ini, ilmuwan membuktikan kemampuan penyerapan beberapa konfigurasi beberapa lapis (seperti lapisan logam mulia tunggal, insulator–logam (IM), dan struktur logam–insulator–logam (MIM)) [1, 8, 25,26,27, 38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48], yang menguntungkan untuk akumulasi panas yang terserap secara lokal. Pertama, untuk konfigurasi datar sederhana berdasarkan logam mulia (seperti Au dan Ag), bandwidth penyerapan (A > 90%) lebih kecil dari 500 nm karena penyerapan disebabkan hanya oleh mekanisme efek polariton permukaan plasmon (SPP) [1,2,3,4,5,6,7,8]. Absorber ini berdasarkan efek SPP juga menunjukkan properti yang secara alami bergantung pada sudut karena kondisi pencocokan momentum [1,2,3,4,5,6,7,8]. Selain itu, beberapa absorber menggunakan logam mulia berdasarkan konfigurasi datar IM atau MIM juga diusulkan dan diuji menggunakan resonansi Fabry–Perot (FP). Namun, untuk absorber datar ini (seperti Ge/Au [48] dan Ag/Si/Ag [49]), bandwidth penyerapan (A > 80%) umumnya kurang dari 300 nm karena penggunaan hanya satu resonansi FP. Sementara itu, biaya bahan logam mulia dalam sebagian besar absorber yang disebutkan di atas 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 datar MIM untuk menunjukkan absorber optik [50, 51]. Absorber Mo/Al₂O₃/Mo berdasarkan satu resonansi Febry–Perot (FP) menunjukkan penyerapan di atas 90% dari 400 hingga 900 nm [50]. Absorber Cr/Al₂O₃/Cr berdasarkan satu resonansi FP menunjukkan penyerapan di atas 90% dari 400 hingga 1150 nm [51]. Untuk sebagian besar absorber datar beberapa lapis yang dilaporkan, bandwidth ∆λ_BW (A > 90%) pada panjang gelombang visible-dekat infra merah lebih kecil dari 750 nm. Sementara itu, untuk struktur nano datar MIM ini berdasarkan satu resonansi FP, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang 400–1000 nm akan menurun di bawah 90% untuk sudut insiden lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE. Karakteristik spektral yang bergantung pada sudut ini adalah kelemahan signifikan, yang membuat absorber sulit diterapkan dalam penggunaan praktis. Oleh karena itu, merancang dan merealisasikan metasurface 1D non-mulia beberapa lapis untuk mencapai penyerapan yang omnidireksional, lebar, dan efisien adalah tantangan tetapi diperlukan untuk aplikasi praktis.

Di sini, kami mengajukan dan secara eksperimental menunjukkan metasurface 1D non-mulia beberapa lapis, yang menimpa dua resonator high-loss untuk memperluas bandwidth (∆λ_BW) absorber. Metasurface 1D non-mulia beberapa lapis adalah lapisan tipis dielectric/logam/dielectric pada film logam tebal, dan terdiri dari dua resonator high-loss. Karena timpaan dari dua resonator high-loss, efisiensi penyerapan rata-rata metasurface yang diusulkan kami di atas 97% pada panjang gelombang dari 400 hingga 1200 nm. Bandwidth penyerapan (A > 90%) mencapai 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari (∆λ_BW = 750 nm[51]) dari absorber MIM datar sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50]. Selain itu, rata-rata penyerapan untuk rentang sudut insiden yang luas hingga 0–65° semua melebihi 90% pada panjang gelombang dari 350 hingga 1000 nm. Ini membuat absorber kami lebih menguntungkan untuk aplikasi praktis dibandingkan dengan absorber MIM datar sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50], yang efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang 400–1000 nm akan menurun di bawah 90% untuk sudut insiden lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE. Metasurface diproduksi dalam satu langkah deposit uap sinar elektron pada substrat kaca serta substrat PET fleksibel. Spektrum penyerapan yang diukur dari metasurface non-mulia cocok dengan hasil simulasi. Karena penyerapan optik yang efisien dan konversi energi fototermal dalam lapisan penyerap ultra-tipis (ketebalan = 10 nm), metasurface non-mulia menunjukkan kenaikan suhu (ΔTe = 25,1 K) ketika diilumini oleh sumber cahaya halogen (P = 1,2 kW/m²). Kenaikan suhu (ΔTe = 25,1 K) lebih tinggi daripada absorber matahari yang baru-baru ini dilaporkan berdasarkan metasurface partikel emas (ΔTe = 12 °C di bawah P = 2,4 kW/m²) [48] dan metasurface plasmonik emas/nikel (ΔTe = 8 °C di bawah P = 1,2 kW/m²) [49]. Untuk aplikasi praktis, kami menunjukkan bahwa metasurface mampu menghilangkan es di bawah sumber cahaya halogen (P = 1,2 kW/m²). Ini lebih efisien dibandingkan pekerjaan anti-es matahari sebelumnya berdasarkan metasurface partikel emas/TiO₂ menggunakan sumber cahaya halogen dengan P = 2,4 kW/m² [48]. Produksi tanpa litografi metasurface beberapa lapis 1D kami mudah diskalakan, memfasilitasi penggunaan luas dalam aplikasi fototermal praktis.

Desain dan Metode

Metasurface 1D beberapa lapis yang dirancang terdiri dari lapisan tipis insulator/logam (high-loss)/insulator pada film logam tebal, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a. Ketebalan tiga lapisan tipis teratas adalah h₁, h_m, dan h₂, masing-masing. Cahaya iluminasi dapat dipantulkan bolak-balik di antara antarmuka dielectric-udara dan antarmuka dielectric-logam dalam struktur nano IM datar, membentuk resonator [48], seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b (Resonator 1). Panjang Resonator 1 adalah h₁. Secara serupa, struktur nano datar logam (high-loss)/insulator/logam (high-loss) juga merupakan resonator [49,50,51] (disebut Resonator 2 dalam Gambar 1c), dan panjang Resonator 2 adalah h₂. Kondisi resonansi dari kedua resonator adalah

$$2\left( {\frac{2\pi }{{{\lambda_{{\text{res}}}}}}} \right){n_i}{t_i} + {\emptyset_b} + {\emptyset_t} = 2\pi m$$ (1)

Di sini, λ_res adalah panjang gelombang resonansi. n_i dan t_i adalah indeks bias dan ketebalan lapisan insulator, masing-masing. m adalah bilangan bulat yang menentukan urutan mode resonansi. Φ_b dan Φ_t adalah pergeseran fase yang diperoleh dari dua pantulan. Berdasarkan Eq. (1), dengan meningkatkan t_i, panjang gelombang resonansi λ_res akan merah-miring. Selain itu, dengan peningkatan ketebalan (t_i) lapisan insulator, jumlah mode resonansi akan meningkat. Untuk meningkatkan penyerapan dan memperluas bandwidth operasional (∆λ_BW) resonator, bahan logam high-loss digunakan untuk lapisan logam atas dan bawah. Seperti yang kita ketahui, ada banyak bahan high-loss di alam, seperti Ti, W, dan Ni. Bahan-bahan ini murah. Di sini, Ti dipilih sebagai logam high-loss (lapisan kedua dan keempat). Lapisan MgF₂ dipilih sebagai lapisan pertama dan ketiga. Dielektrik serupa lainnya seperti SiO₂, TiO₂, dan polimer juga dapat digunakan sebagai lapisan dielektrik.

Untuk membuktikan bahwa struktur dalam Gambar 1a memiliki dua resonator, spektrum penyerapan struktur IM dan MIM datar dalam Gambar 1b, c disimulasikan dan digambarkan, masing-masing. Penyerapan metasurface dapat dihitung menggunakan rumus A = 1 − R − T. Metode finite-difference time-domain (FDTD) dua dimensi dilakukan untuk mensimulasikan struktur yang diusulkan. Cahaya insiden normal menyebar entlang arah z negatif dengan polarisasi entlang arah x. Ukuran mesh diatur menjadi 1 nm. Kondisi batas periodik diterapkan pada arah x dan y. Lapisan cocok sempurna (PML) diterapkan pada batas atas dan bawah model. Untuk nilai permitivitas bahan dielektrik dan logam, data eksperimental dalam[53] digunakan. Dalam eksperimen, metasurface yang dirancang diproduksi menggunakan evaporator sinar elektron. Spektrum transmisi (T) dan pantulan (R) optik metasurface diukur dengan spectrophotometer Shimadzu UV3600.

Hasil Simulasi dan Pembahasan

Untuk struktur IM dalam Gambar 1b, struktur datar MgF₂/Ti ditempatkan pada substrat MgF₂, dan ketebalan (h_m) lapisan Ti adalah 10 nm. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a, dengan peningkatan ketebalan lapisan dielektrik, dapat diamati bahwa jumlah mode resonansi dalam struktur lapisan MgF₂/Ti secara bertahap meningkat, sesuai dengan Eq. (1). Ini menunjukkan bahwa struktur lapisan MgF₂/Ti dalam Gambar 1b adalah resonator [48]. Sementara itu, kami juga dapat menemukan bahwa mode resonansi yang lebih rendah (yang sesuai dengan ketebalan lapisan dielektrik yang lebih kecil) memiliki bandwidth yang lebih besar (∆λ_BW). Untuk struktur MIM dalam Gambar 1c, ketebalan (h₂) lapisan Ti atas dirancang sebesar 10 nm, sedangkan Ag bawah tak terbatas untuk memblokir cahaya yang ditransmisikan. Secara serupa, kami dapat melihat perilaku resonansi yang jelas, dan mode resonansi urutan rendah memiliki bandwidth yang lebih besar (∆λ_BW), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b.

Untuk mendapatkan spektrum penyerapan lebar, baik Resonator 1 maupun Resonator 2 beroperasi dalam mode resonansi urutan terendah dengan memilih dengan bijak ketebalan (h₁ = 105 nm, h₂ = 95 nm) dari dua lapisan dielektrik (pencocokan fase). Karena reflectivitas antarmuka udara-dielektrik dan antarmuka logam-dielektrik relatif rendah, mode resonansi dasar memiliki kehilangan optik yang tinggi. Gambar 2c menggambarkan hasil simulasi penyerapan (garis merah padat) metasurface pada panjang gelombang visible dan dekat infra merah yang berkisar dari 350 hingga 1500 nm. Karena keberadaan dua resonator, ada dua puncak penyerapan pada panjang gelombang yang lebih pendek (sekitar 470 nm) dan panjang gelombang yang lebih lama (sekitar 790 nm), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2c. Puncak resonansi ini sedikit menyimpang dari puncak resonansi resonator terisolasi, karena interaksi antara dua resonator. Karena timpaan resonator, metasurface beberapa lapis 1D memiliki efisiensi penyerapan rata-rata di atas 97% pada panjang gelombang 350–1200 nm. Bandwidth operasional (A > 90%) ∆λ_BW = 1000 nm lebih besar dari yang (∆λ_BW ≤ 750 nm) dari absorber matahari sebelumnya berdasarkan struktur IM dan MIM [1,2,3,4,5,6,7,8].

Untuk memverifikasi lebih lanjut mekanisme fisik dari absorber metasurface 1D, peta distribusi kepadatan disipasi daya pada dua puncak penyerapan dihitung, dan hasilnya digambarkan dalam Gambar 2d. Seperti yang diharapkan, cahaya insiden terutama terserap dalam lapisan penyerap tipis (logam high-loss). Selain itu, untuk membuktikan efektivitas dan universalitas desain struktur yang diusulkan, kami juga mensimulasikan kinerja metasurface dengan logam high-loss lainnya. Misalnya, hasil simulasi penyerapan, transmisi, dan pantulan metasurface non-mulia dengan logam lain (seperti W, Ni dan Cr) digambarkan dalam Additional file 1: Fig. S1. Dalam simulasi, bahan lapisan pertama dan ketiga adalah MgF₂. Metasurface dengan W juga memiliki rata-rata penyerapan di atas 97% pada panjang gelombang dari 350 hingga 1000 nm.

Spektrum penyerapan metasurface dengan berbagai ketebalan lapisan penyerap dihitung dan dibahas dalam Gambar 3a. Absorber metasurface mempertahankan rata-rata penyerapan di atas 90% pada panjang gelombang 400-1200 nm dalam rentang luas ketebalan lapisan penyerap tipis (6 nm < d_m < 16 nm). Hasilnya menunjukkan bahwa kinerja penyerapan yang tinggi dapat dicapai dalam rentang luas ketebalan lapisan penyerap tipis, yang menguntungkan untuk produksi yang mudah. Namun, pekerjaan sebelumnya yang hanya menggunakan satu resonator memerlukan ketebalan lapisan penyerap tipis yang presisi tinggi untuk kondisi kopling kritis untuk mencapai penyerapan yang efisien.

Ketergantungan sudut dan polarisasi juga merupakan kriteria penting untuk mengevaluasi absorber optik, sehingga kami lebih lanjut menghitung spektrum penyerapannya pada berbagai sudut insiden untuk mode transverse electric (TE) dan transverse magnetic (TM), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, c. Rata-rata penyerapan pada panjang gelombang dari 350 hingga 1000 nm juga dihitung dan digambarkan dalam Gambar 3d. Kami dapat dengan jelas melihat bahwa rata-rata penyerapan pada panjang gelombang dari 350 hingga 1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut insiden setinggi 65°. Rata-rata penyerapan mereka menurun sedikit seiring meningkatnya sudut insiden dan masih mencapai 80% untuk sudut insiden hingga 75° di bawah cahaya polarisasi TE dan TM. Untuk struktur nano datar beberapa lapis sebelumnya berdasarkan satu resonator, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang dari 400 hingga 1000 nm akan menurun di bawah 90% untuk sudut insiden 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 ketepatan sudut terbaik dibandingkan absorber datar beberapa lapis sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8]. Alasannya adalah, sebagian besar absorber datar beberapa lapis yang dilaporkan sebelumnya didasari hanya oleh satu jenis mekanisme penyerapan. Namun, penyerapan dalam absorber kami didasari oleh timpaan dua resonator high-loss. Berdasarkan spektrum penyerapan simulasi, kami menghitung efisiensi konversi matahari-ke-termal ƞ, sebagai berikut[52]

$$\Delta = {E_{\upalpha }} - {E_R} = \frac{{C \times \smallint {\text{d}}\lambda {\upalpha }\left( \lambda \right){E_{{\text{solar}}}}\left( \lambda \right) - \smallint {\text{d}}\lambda \alpha \left( \lambda \right){E_{\text{B}}}\left( \lambda \right)}}{{C \times \smallint {\text{d}}\lambda {E_{{\text{solar}}}}\left( \lambda \right)}}$$ (2)

di mana E_α adalah total penyerapan matahari; E_R adalah kehilangan radiasi termal; E_solar adalah iradiasi matahari spektral; E_B (λ,T_A) adalah radiasi tubuh hitam pada suhu T_A; dan C adalah faktor konsentrasi yang biasanya berurutan 1 hingga 1000[52]. Hasil perhitungan ditampilkan oleh garis padat dalam Gambar 3e. Absorber melakukan ƞ_{solar thermal} tinggi > 0,9 di bawah cahaya polarisasi TE dengan sudut insiden θ < = 60°, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3e. Sementara itu, absorber tetap ƞ > = 0,9 di bawah cahaya polarisasi TM dengan sudut insiden θ < = 55°, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3e. Kinerja ini lebih baik daripada absorber matahari sebelumnya [52]. ƞ dengan berbagai sudut insiden dalam Ref. [52] digambarkan oleh garis titik dalam Gambar 3e. Untuk polarisasi TM, ƞ absorber kami sekitar 20% lebih tinggi dari absorber di [52]. Hasil ini mengungkapkan bahwa penyerapan optik metasurface kami tidak hanya lebar tetapi juga lebar sudut.

Hasil Eksperimen dan Pembahasan

Untuk memvalidasi absorber metasurface 1D yang diusulkan, kami memproduksi metasurface yang dirancang hanya menggunakan evaporator sinar elektron. Lapisan bawah Ti (150 nm), spasi MgF₂ (95 nm), lapisan penyerap Ti tipis (10 nm), dan lapisan MgF₂ (105 nm) ditetapkan pada substrat kaca. Gambar absorber yang diproduksi ditunjukkan dalam Gambar 4a, dan kami dapat mengamati bahwa sampelnya semuanya hitam. Selanjutnya, spektrum transmisi (T) dan pantulan (R) optik metasurface diukur pada panjang gelombang 350–1500 nm dengan spectrophotometer Shimadzu UV3600 yang dilengkapi dengan bola integrasi (ISR-3100). Penyerapan (A) kemudian dihitung dengan A = 1–R –T. Jelas, kami melihat spektrum penyerapan lebar dengan dua puncak penyerapan, yang menunjukkan kesepakatan yang baik antara hasil simulasi dalam Gambar 2c dan hasil eksperimen dalam Gambar 4b. Rata-rata penyerapan dari hasil eksperimen di atas 97% pada panjang gelombang dari 350 hingga 1200 nm. BW (∆λ_BW) penyerapan yang lebih besar dari 90% mencapai 1030 nm (350 nm-1380 nm), yang lebih besar dari (∆λ_BW = 750 nm [51]) dari absorber MIM datar IM dan sebelumnya yang dilaporkan [2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].

Selanjutnya, kami juga menempatkan struktur metasurface pada substrat fleksibel (PE, polietilena), dan Gambar 4c merepresentasikan gambar sampel fleksibel yang diproduksi, yang juga hitam. Properti optik sampel fleksibel juga diukur dan digambarkan dalam Gambar 4d, dan rata-rata penyerapan di atas 95% pada panjang gelombang 350–1100 nm diperoleh. Alasan perbedaan penyerapan kecil pada panjang gelombang yang lebih pendek antara Gambar 4b, d adalah bahwa agak sulit untuk memastikan ketebalan logam/dielektrik yang presisi tinggi dalam proses deposit. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4e, kami juga mengukur spektrum penyerapan pada berbagai sudut insiden dengan cahaya tidak terpolarisasi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa absorber kami tidak sensitif terhadap sudut insiden, yang sesuai dengan hasil simulasi. Rata-rata penyerapan yang diukur yang berkisar dari 350 hingga 1000 nm pada berbagai sudut insiden dari 0° hingga 70° juga digambarkan dalam Gambar 4f.Rata-rata penyerapan yang diukur pada panjang gelombang 350 nm-1000 nm dipertahankan di atas 90% pada sudut insiden setinggi 65°, yang sesuai dengan hasil simulasi dalam Gambar 3d. Perlu diperhatikan, untuk struktur nano datar beberapa lapis yang dilaporkan sebelumnya berdasarkan satu resonator, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang dari 400 hingga 1000 nm akan menurun di bawah 90% untuk sudut insiden 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 fototermal, kami juga memproperti properti pemanas cahaya. Kami menggunakan sumber cahaya halogen lebar, dan kemudian mencatat kenaikan suhu sampel metasurface dengan termometer inframerah XINTEST-HT18. Daya sumber cahaya halogen diukur dengan fotometer XINBAO-SM206 dalam eksperimen berikutnya. Dari Gambar 5a, dapat terlihat jelas bahwa panas yang dihasilkan sangat terkonsentrasi di sekitar sampel metasurface. Metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar di bawah cahaya halogen P = 1,2 kW/m². Kenaikan suhu permukaan lebih tinggi dari absorber matahari yang baru-baru ini dilaporkan berdasarkan metasurface partikel emas (A = 83%, ∆T_e = 12 °C, P = 2,4 kW/m²)[54] dan metasurface plasmonik emas/nikel (∆T_e = 8 °C, P = 1kw/m²) [55] Selanjutnya, Gambar 5b, c menunjukkan urutan gambar representatif dari titik air beku pada sampel metasurface dan kaca. Pertama, satu titik air ditetapkan dan dibekukan pada permukaan metasurface dan kaca. Kemudian, lampu halogen (P ≈ 1,2 kW/m²) menerangi permukaan dengan titik beku yang menempel pada metasurface atau kaca. Untuk sampel metasurface, titik mulai geser setelah 40 detik, dan sepenuhnya terhapus dalam sekitar 75 detik. Sebaliknya, tidak ada perubahan pada titik beku yang terlihat pada kaca di bawah iluminasi yang sama. Perlu diperhatikan, intensitas iluminasi (P = 1,2 kW/m²) dari cahaya insiden dalam karya kami hanya separuh dari yang (P = 2,4 kW/m²) dalam studi anti-es matahari sebelumnya berdasarkan metasurface partikel emas/TiO₂[54], menunjukkan bahwa metasurface kami lebih menguntungkan untuk aplikasi praktis.

Kesimpulan

Secara ringkasan, strategi desain yang efisien diusulkan untuk mencapai absorber lebar berdasarkan metasurface 1D non-mulia, yang terdiri dari lapisan dielectric/logam/dielectric/logam. Karena timpaan dua resonator high-loss, rata-rata penyerapan di atas 97% pada panjang gelombang 350–1200 nm dicapai. Bandwidth penyerapan yang lebih besar dari 90% mencapai 1000 nm (410–1410 nm), yang lebih besar dari (≤ 750 nm) dari absorber MIM datar sebelumnya [1, 5, 8, 25,26,27]. Metasurface diproduksi dengan metode deposit sinar elektron sederhana, memberikan kemungkinan aplikasi luas area. Hasil simulasi dan eksperimen menunjukkan bahwa penyerapan lebar absorber kami dipertahankan di atas 90% pada sudut insiden setinggi 65° yang berkisar dari 350 hingga 1000 nm. Untuk absorber datar beberapa lapis sebelumnya, efisiensi penyerapan rata-rata pada panjang gelombang dari 400 hingga 1000 nm akan menurun di bawah 90% untuk sudut insiden lebih besar dari 40° di bawah insiden polarisasi TE.[1,2,3,4,5,6,7,8, 48, 50].Secara tambahan, fleksibilitas juga ditunjukkan dengan menempatkan metasurface pada substrat fleksibel. Metasurface fleksibel meningkatkan suhu permukaannya sebesar 25,1 K dari suhu kamar di bawah lampu halogen P = 1,2 kW/m². Untuk aplikasi praktis, kami menyelidiki kemampuan metasurface fleksibel untuk menghilangkan es di bawah lampu halogen P = 1,2 kW/m². Metasurface 1D ini dengan penyerapan lebar dan efisien mungkin memiliki aplikasi potensial dalam icephobicity yang didorong energi matahari.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis tanggung jawab atas permintaan yang wajar.

Singkatan

BW:

bandwidths

FDTD:

finite-difference time domain

IM:

insulator–metal

MIM:

metal–insulator–metal