四部分圆形环纳米结构超宽带太阳能收集器

《Micro and Nanostructures》：Quad Sectional Circular Ring Nanostructured Ultra-Wideband Solar Energy Harvester

镍-二氧化硅-镍超宽带吸收器在155.264-4495.603 THz（66.732-1932.193 nm）实现≥90%吸收率，平均97.84%，角度稳定性达50°（≥90%）和60°（≥80%），热发射效率86.8%-95.43%，太阳能吸收效率96.19%

　　本文探讨了一种基于镍-介质-镍结构的超宽带吸收器的设计与性能，该吸收器适用于红外、可见光和紫外波段。研究的核心在于通过特定的结构设计，实现对宽频率范围的高效吸收，同时具备良好的角度和极化独立性。这种吸收器的结构由四个四分之一波长的圆形环形结构组成，这些环形结构被加载在单元格基板的角落，以增强其在多个波段的吸收能力。吸收器的总尺寸为90×90×11纳米，其吸收率在155.264-4495.603 THz（66.732-1932.193纳米）范围内达到≥90%，平均吸收率为97.84%。在203.644-4218.678 THz（71.11-1473.159纳米）频率范围内，吸收率仍维持在≥95%。此外，吸收器对极化状态不敏感，并且在入射角达到θ≤50°时仍保持90%的吸收率，而在θ≤60°时吸收率下降至80%或更高。这种设计不仅适用于太阳能吸收，还能够作为热辐射发射器，其在1000 K、2000 K和3000 K时的热发射效率分别为86.8%、93.57%和95.43%。该吸收器在太阳能吸收方面的效率达到96.19%，展现了其在新能源领域的广阔应用前景。

在吸收器的设计原理方面，文章指出，为了实现接近100%的吸收率，需要最大程度地减少入射电磁波的反射和透射。根据能量守恒定律，反射率（R）+ 吸收率（A）+ 透射率（T）= 1，而由于吸收器底部设有金属接地层，这显著降低了透射率。因此，吸收率可以通过计算得出，即A = 1 - R = 1 - |S11|2。当反射系数降低时，吸收率随之提高，而要实现接近100%的吸收率，反射系数必须接近于零。为了达到这一目标，研究采用了阻抗匹配技术，以优化吸收器的性能。同时，研究还提到，反射系数和透射系数的计算需要考虑其共模和交叉模分量，这有助于更全面地分析吸收器在不同频率和角度下的行为。

在研究背景方面，文章回顾了当前电磁波吸收器的发展趋势。传统上，吸收器可以分为窄带共振型和宽带型两种。窄带型通常在特定频率下工作，而宽带型则依赖于材料的高损耗特性，如通过锥形结构或柱形结构等实现宽频吸收。近年来，研究人员逐渐关注于利用多种共振结构或耦合机制，以实现更宽的吸收带宽。例如，通过多个共振器的叠加或耦合，可以产生更宽的吸收范围。此外，金属材料如镍（Ni）、钨（W）、钛（Ti）和铬（Cr）因其较高的阻尼特性，在可见光和近红外波段表现出良好的吸收性能。然而，金属基吸收器在高频下的性能往往会下降，这限制了其在更宽频段的应用。因此，研究提出了一种金属-绝缘体-金属（MIM）结构，该结构在红外传感方面具有优势，并通过夹层设计实现更稳定的吸收效果。

在太阳能吸收器领域，研究指出，近年来的进展主要集中在基于超材料的吸收器设计，以提高太阳能的收集效率。例如，TiN基吸收器在Al?O?基板上实现了高达97.02%的吸收效率，覆盖频率范围为300-4962纳米。另一项研究提出了一种TiN-SiO?结构，覆盖频率范围为272-2742纳米，吸收效率为97.42%，适用于光热应用。此外，研究还提到，钛基吸收器在280-2500纳米范围内实现了97.77%的吸收效率，同时具备良好的热稳定性。另一项研究则提出了一种基于SiO?的吸收器，使用Cr-Fe阵列，实现了高达99.3%的吸收效率，覆盖频率范围为300-2400纳米，并具备宽角度操作能力。这些研究共同表明，超材料在太阳能吸收方面的应用正在不断拓展，特别是在宽频、高效率和宽角度操作方面。

本文的研究重点在于设计一种新型的镍-SiO?-镍结构的太阳能吸收器，该吸收器具有高平均吸收率和紧凑的单元格结构。其单元格尺寸为90×90纳米，吸收器的结构由顶部的镍共振贴片、中间的SiO?介质层和底部的镍接地层组成。顶部的镍共振贴片厚度为2纳米，具有较高的导电性（σ = 1.44 × 10? S/m），而中间的SiO?介质层厚度为8纳米，具有相对介电常数ε = 3.9和较低的损耗角正切tan δ = 0.0027。底部的镍接地层厚度为1纳米，为吸收器提供了稳定的电磁环境。这种结构设计不仅能够实现宽频吸收，还能在不同角度下保持较高的吸收效率，使其适用于多种应用场景。

在设计与仿真方面，研究采用Computer Simulation Technology Microwave Studio (CST MWS) 2021软件进行模拟，并使用Finite Integration Technique (FIT) 方法。在仿真过程中，单元格边界条件沿x轴和y轴周期性地应用，而在z轴上则采用开放边界条件。此外，研究引入了Floquet端口激励，从Zmax（+z方向）向Zmin（-z方向）方向进行激励，以模拟吸收器在不同频率下的行为。为了提高仿真精度，研究采用了四面体自适应网格划分技术。图1(a)展示了吸收器的三维结构，包括顶部的镍共振贴片、中间的SiO?介质层和底部的镍接地层。图1(c)详细描述了吸收器的制造过程，包括三个主要步骤：首先，通过沉积镍层在SiO?基板上，形成单元格结构；其次，通过高精度光刻技术在顶部表面加工出四个四分之一波长的圆形镍贴片；最后，通过蚀刻技术从初始贴片中去除一个同心内圆，从而形成最终的四分之一波长环形结构。这些制造步骤的精确控制是实现吸收器高吸收率的关键。

在实验验证方面，研究提到，镍接地层可以通过直流磁控溅射或电子束蒸发技术进行沉积，而顶部的共振结构则可以通过高精度光刻技术进行加工。图1(e)展示了用于表征吸收器性能的实验装置的示意图，包括测量反射功率和温度的系统。这种实验装置能够验证吸收器在实际应用中的性能，并为后续优化提供依据。此外，研究还指出，该吸收器在热辐射发射方面的表现同样优异，其在不同温度下的热发射效率分别为86.8%、93.57%和95.43%。这些数据表明，该吸收器不仅适用于太阳能吸收，还能在热辐射发射方面发挥重要作用。

在结果分析方面，研究展示了吸收器在不同频率下的吸收特性。图2(a)显示，在垂直方向上反射率（R_cross）接近于零，而两个透射分量（T_co和T_cross）也接近于零，这使得吸收率在10-5000 THz范围内达到接近100%。图2(b)则展示了吸收率在155.264-4495.603 THz（66.732-1932.193纳米）范围内的分布情况，其中吸收率在90%以上，平均吸收率为97.84%。图2(c)进一步展示了吸收率随频率变化的趋势，其中在3857.29 THz时吸收率达到了接近100%的峰值。这些结果表明，该吸收器在宽频段内具有优异的吸收性能，并且能够适应多种应用场景。

在结论部分，研究总结了该镍-SiO?-镍吸收器的主要特点和优势。该吸收器的平均吸收率为97.84%，频率带宽为185.97%，覆盖范围为155.264-4495.603 THz（66.732-1932.193纳米）。其在更宽的频率范围内（104.372 THz至5000 THz）也能保持较高的吸收效率，对应的波长范围为>60纳米至2874.334纳米。此外，该吸收器在不同角度下表现出良好的吸收性能，使其在实际应用中具有较高的鲁棒性。这些特性使其成为太阳能吸收和热辐射发射的理想选择，尤其是在需要宽频、高效率和宽角度操作的场景中。

综上所述，本文提出了一种基于镍-介质-镍结构的超宽带吸收器，该吸收器不仅在可见光、红外和紫外波段表现出优异的吸收性能，还能在不同角度下保持较高的吸收效率。其设计结合了高精度制造工艺和先进的仿真技术，为未来新能源技术的发展提供了新的思路。此外，该吸收器在热辐射发射方面的表现同样出色，其在不同温度下的热发射效率均达到较高水平，这表明其在多个应用领域中具有广泛前景。研究还指出，这种吸收器的设计趋势与当前的材料科学和超材料研究方向相吻合，未来有望在更广泛的频率范围内实现更高的吸收效率，并推动新一代太阳能技术的发展。