《Ain Shams Engineering Journal》：Design of ultra-broadband metamaterial solar thermal absorber structure based on Ti-MXene-SiO
2-Ag material for heating application with machine learning approach
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可再生能源的利用正通过多种途径日益增加。为收集可再生太阳能，研究人员采用不同材料和不同设计构建了太阳吸收器装置。本研究展示了一种基于MXene层的六边形环状超材料太阳吸收器（MLHRMSA）。MLHRMSA由MXene和Ti构成，其中Ti用作谐振器；SiO?与
可再生能源的利用正通过多种途径日益增加。为收集可再生太阳能，研究人员采用不同材料和不同设计构建了太阳吸收器装置。本研究展示了一种基于MXene层的六边形环状超材料太阳吸收器（MLHRMSA）。MLHRMSA由MXene和Ti构成，其中Ti用作谐振器；SiO?与Ag则分别作为MLHRMSA的衬底和背反射层。MXene是一种由钛和碳组成的二维过渡金属碳化物，能够在紫外至远红外光谱范围内实现强表面等离激元共振与宽谱吸收。MXene具有优异的电导率及可定制的光学特性，从而实现有效的光-物质耦合。Ti基六边形谐振器的引入增加了几何变化与锐边效应，促进了多模态等离激元共振。这些设计特征共同使该方案区别于传统的介质-金属吸收器，并凸显了将其集成于先进太阳-热结构中的潜力。该偏振不敏感MLHRMSA的超宽带吸收器具有440 nm和1210 nm的广泛带宽。MLHRMSA的负超材料效应增强了吸收器的可靠性与吸收率。为有效优化MLHRMSA的结构及各参数，研究人员进一步应用机器学习（ML）来估计MLHRMSA的吸收率，获得了0.99181的最优R2值。鉴于其出色的吸收性能，该MLHRMSA被应用于工业加热器。
太阳能作为一种可获得且可再生的能源，由太阳光产生，在供热、发电及其他工业操作中具有重要功能，是最具可再生性的能源形式之一，能够减少污染并提供清洁能源。太阳吸收器是将太阳能转化为热能的材料或设备，广泛应用于太阳能、热电厂及热水器等可再生能源系统中。为确保高效的能量转换，这类吸收器通常采用具有高导热率和高吸收率的材料制造，旨在最大化太阳辐射吸收并减少热损失。超材料作为吸收器正因其卓越的电磁特性而在各类研究中迅速发展，其小型化、增强可调性及高吸收等独特性质使其在多个研究领域得到广泛应用。
现有研究已探索了多种超材料吸收器设计。Wang等人综述了基于介质的超材料吸收器，涵盖可调介质、结构设计及材料选择等方面；Sun等人设计了TiN基超材料太阳吸收器，实现了97.6%的整体吸收率；Zhang等人研究了石墨烯基可调宽带超材料吸收器；Hasan等人分析了六边形裂环纳米谐振器在波导中的应用；Hoque等人设计了分裂六边形结构贴片阵列纳米超材料吸收器；Meng等人采用Al?O?和Ti材料设计的太阳吸收器在599至1912 nm波长范围内吸收率超过97%。此外，还有采用TiO?和W材料的宽带吸收器、双向完美超材料吸收器、基于石墨烯的可调宽带吸收器以及基于VO?的四通道超表面等研究。
MXene作为二维材料家族的新成员，自2011年发现以来展现出非凡的光学和热学性质。MXene由MAX相材料制备而成，具有金属导电性、亲水性表面及自由电子核心等独特组合特性，在超材料、生物传感器、等离激元、太阳能电池、能量存储、电磁干扰屏蔽、太阳吸收器及光/电催化等领域有广泛应用。研究表明，MXene的介电常数虚部体现了其光吸收能力，多种MXene基吸收器结构已获得广泛关注，如MXene-SiO?-W-MgF?-Au多层结构吸收器、MXene-SiO?-Fe结构超宽带吸收器、MXene基超薄纳米吸收器、W-MXene纳米球结构吸收器以及四光晕形谐振器宽带热吸收器等。
本研究提出的MLHRMSA采用了一种新颖的几何结构以增强吸收器吸收率并实现宽带吸收。该结构使用Ag和SiO?作为背反射层和衬底层，MXene层及Ti材料六边形环作为谐振层。MLHRMSA具有表面等离激元共振特性，能够实现紫外至远红外范围的宽带吸收，且为偏振不敏感结构，可从各角度吸收辐射。通过对各层和谐振器结构的优化，实现了更高吸收率。研究还分析了MLHRMSA的TE模、TM模及AM 1.5特性，考察了其介电常数和磁导率，并利用机器学习中的线性回归算法获得了最优R2评分，测试集比例为30%。电场分析表明，该MXene层吸收器具有高吸收率和宽带吸收特性，其独特的MLHRMSA结构可应用于工业热加热器。
在设计建模方面，研究人员采用COMSOL Multiphysics仿真软件，利用有限元法（FEM）研究MLHRMSA的设计。光沿z轴传播，波长在200-3000 nm范围内，x轴和y轴方向设置周期性边界条件。仿真采用Delaunay tessellation构建四面体网格划分标准，MLHRMSA各部分的最大和最小尺寸分别为170 nm和30.6 nm，曲率因子为0.6。
MLHRMSA的制备步骤如下：首先以SiO?作为衬底，然后依次沉积Ag背反射层和MXene谐振层（MXene由磁控溅射制备），再沉积Ti材料，最后采用纳米压印光刻技术制备六边形环状谐振器。纳米压印光刻技术可实现纳米尺度的精确图案制造，具有高分辨率优势，适用于纳米技术领域。
主要研究结果如下：
**响应特性分析**：MLHRMSA平均吸收率为93.53%，吸收、透射和反射特性曲线显示，六边形环和MXene层捕获了太阳辐射并实现了宽带吸收，在620-1060 nm和1360-2570 nm范围内分别实现91%和93%的吸收率，带宽分别为440 nm和1210 nm。最大吸收率为99.98%（2.64 nm处），最小吸收率为79.57%（0.39 nm处）。Ag背反射层减少了透射率并将辐射反射回衬底。在紫外和可见光光谱吸收率分别为85.32%和90.19%，在近红外、中红外和远红外范围分别为93.01%、94.24%和97.43%。AM 1.5分析显示91.4%的太阳辐射吸收率和8.6%的能量损失。
**超材料特性**：根据Drude公式计算的电导率，以及由折射率和阻抗推导的介电常数和磁导率公式，分析了MLHRMSA的超材料特性。介电常数实部在0.24、0.29、0.36、0.48和0.77 μm处出现负峰；磁导率实部在0.22、0.26、0.32、0.42、0.57、0.61和1.03 μm处出现负峰；折射率实部负峰位于0.23、0.26、0.29、0.33、0.35、0.42、0.52、0.69、1.03和2.46 μm；电导率虚部负峰位于0.27、0.34、0.43、0.64、1.02、1.3和2.58 μm。阻抗图显示0.2至0.6 μm范围内的尖锐峰值。
**结构对比分析**：单层Ti材料吸收率为45.36%，单层MXene为50.81%，单层Ag为6.55%。SiO?衬底吸收率极低。添加Ag背反射层后获得6.91%吸收率。MXene层沉积后获得53.19%吸收率。完整结构（含Ti六边形环和MXene层）获得93.53%吸收率，而无MXene层时仅为84.57%。
**参数优化**：谐振器环厚度TH在600 nm时获得92.86%最优吸收率；谐振器环宽度THX在600 nm时获得92.10%最优吸收率；谐振器环半径RHX在850 nm时获得92.32%最优吸收率；衬底厚度SIOH在600 nm时获得92.21%最优吸收率；背反射层厚度AUH在400 nm时获得92.27%最优吸收率。
**宽角度与偏振特性**：0°至60°入射角范围内，MLHRMSA保持60%以上的吸收率。TE和TM模式在0°至60°范围内展示可比的吸收率峰值，表现为偏振不敏感特性。
**电磁场分析**：在λ?=390 nm、λ?=620 nm、λ?=1060 nm、λ?=1360 nm、λ?=2570 nm和λ?=2640 nm等波长处分析了电场和磁场强度分布。紫外和可见光区域电场强度较高，场强从顶层谐振器传输至衬底；远红外和中红外区域磁场强度环绕谐振器和MXene层顶部分布。
**机器学习分析**：采用线性回归算法预测各参数优化。AUH参数（200-400 nm，50 nm步长）的R2值为0.99181、0.98832、0.97951、0.98787和0.98899，MSE为3.80942×10??；SIOH参数（400-600 nm，50 nm步长）的R2值为0.98918、0.98531、0.97647、0.98536和0.98491，MSE为3.34568×10??。
与其他已研究吸收器的对比表明，MLHRMSA在各种Ti、MXene、SiO?和Ag材料组成的吸收器中具有较高吸收率。MXene作为二维材料，具有更大的表面积-体积比和更宽的光谱吸收范围，能够检测紫外至红外光谱，是吸收器的理想材料。传统吸收器存在偏振敏感和能量损失问题，而MLHRMSA消除了偏振敏感性和不同太阳高度角时的能量损失，凭借其优异的导电性和低热阻实现了更高效的太阳光吸收。
研究结论部分指出：太阳吸收器是利用太阳能的重要设备，可应用于多种用途。本研究开发了由MXene、Ti、SiO?和Ag构成的超材料吸收器结构，MLHRMSA实现了93.53%的吸收率，覆盖紫外至远红外波长范围。宽带吸收具有91%和93%的吸收率，带宽分别为440 nm和1210 nm。六边形环形状和MXene层保留了大部分太阳能。由于MLHRMSA的偏振不敏感性，其有效捕获了大量太阳光。该超材料太阳吸收器具有负磁导率和负介电常数，响应超材料的附加性质。MLHRMSA在AM 1.5辐射下的吸收率为91.4%。机器学习模型在30%测试集比例下获得了3.80942×10??的均方误差和0.99181的理想R2值。研究还评估和优化了MLHRMSA的多种结构和参数。电场强度分析表明MLHRMSA捕获了大量辐射。该MLHRMSA可用于太阳能工业加热器。
