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研究背景

全(quan)球(qiu)對能(neng)源短缺(que)和(he)環境問(wen)題的(de)(de)關切推(tui)動(dong)了(le)清潔高效能(neng)源轉換(huan)的(de)(de)需求。太(tai)陽(yang)能(neng)因其(qi)(qi)廣泛分(fen)布、環保(bao)、豐富資源和(he)可持續性(xing)備受關注(zhu)。太(tai)陽(yang)能(neng)熱(re)轉換(huan)是重(zhong)要的(de)(de)利用方式，涉及(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)材料(liao)的(de)(de)研究。傳統材料(liao)受限于吸收光(guang)(guang)(guang)(guang)譜和(he)穩定性(xing)。研究人(ren)員通(tong)過(guo)超(chao)材料(liao)的(de)(de)獨特結(jie)構和(he)卓越光(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)性(xing)能(neng)提(ti)高了(le)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)發(fa)(fa)電效率(lv)。其(qi)(qi)中，矩形分(fen)層腔超(chao)表面(mian)(mian)（RLCM）通(tong)過(guo)優化(hua)結(jie)構參數實(shi)現(xian)了(le)近乎完美的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)吸收，為高效光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)提(ti)供了(le)新思路。在(zai)310-4235 nm超(chao)寬光(guang)(guang)(guang)(guang)譜范(fan)圍內，RLCM超(chao)表面(mian)(mian)全(quan)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜下(xia)的(de)(de)加權吸收率(lv)超(chao)過(guo)97%。其(qi)(qi)在(zai)多波長光(guang)(guang)(guang)(guang)照下(xia)表現(xian)出(chu)一(yi)致(zhi)的(de)(de)高效光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)，為光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)器件的(de)(de)發(fa)(fa)展提(ti)供創(chuang)新方向(xiang)。

研究內容

圖(tu)(tu)1顯示了組(zu)成單元的結(jie)(jie)構(gou)陣列（圖(tu)(tu)1（a））和(he)橫截(jie)面（圖(tu)(tu)1（B））。RLCM結(jie)(jie)構(gou)自下而上由Ti基(ji)(ji)片和(he)SiO2薄膜(mo)組(zu)成，在其上交替(ti)覆蓋4對Ti和(he)SiO2薄膜(mo)，并在此基(ji)(ji)礎上形成長方體空氣腔。

圖1.（a）RLCM吸振器結構陣列圖，（b）吸收器的平面圖。

圖2（a）展示(shi)了(le)矩(ju)形分層腔超表面（RLCM）在(zai)連續波（CW）激發下的超寬(kuan)帶吸(xi)收，覆蓋紫外(wai)至近(jin)紅(hong)外(wai)波段，實現近(jin)乎(hu)完(wan)美的光(guang)吸(xi)收。在(zai)圖2（b）中，比較了(le)RLCM吸(xi)收器(qi)與(yu)太(tai)陽輻射AM 1.5G標(biao)準光(guang)譜(pu)的太(tai)陽能(neng)吸(xi)收，結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)其吸(xi)收光(guang)譜(pu)與(yu)標(biao)準光(guang)譜(pu)幾乎(hu)一(yi)致。并(bing)且該(gai)吸(xi)收器(qi)的太(tai)陽能(neng)加(jia)權吸(xi)收效(xiao)率超過97％，表明(ming)RLCM在(zai)光(guang)熱轉(zhuan)換中能(neng)最大程度地(di)利用太(tai)陽能(neng)。此(ci)外(wai)，在(zai)440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm處(chu)的四個(ge)吸(xi)收峰顯(xian)示(shi)了(le)局部表面等離子體共振的強烈激發，而金(jin)屬-電介質界面的法布(bu)里-珀羅(luo)干涉(she)進(jin)一(yi)步提高了(le)光(guang)吸(xi)收效(xiao)率。

圖2.（a）在正常光照下，RLCM的光學特性范圍為280-4500 nm，（b）太陽輻射標準光譜和RLCM吸收器的太陽能吸收。

圖(tu)3顯(xian)示了吸收器在(zai)不同(tong)峰值處(chu)的(de)(de)(de)電(dian)場圖(tu)。金(jin)(jin)屬等離子(zi)體(ti)微/納米(mi)結構通過光(guang)(guang)激(ji)發(fa)、電(dian)子(zi)-電(dian)子(zi)散(san)射(she)(she)和(he)電(dian)子(zi)-聲(sheng)(sheng)子(zi)耦合的(de)(de)(de)復雜(za)機制實(shi)現了對特(te)定波長范圍內光(guang)(guang)的(de)(de)(de)吸收，引發(fa)局(ju)部表(biao)(biao)面(mian)等離子(zi)體(ti)共振和(he)熱電(dian)子(zi)的(de)(de)(de)重(zhong)新分布。這一(yi)過程導致(zhi)熱量通過電(dian)子(zi)-聲(sheng)(sheng)子(zi)耦合傳(chuan)遞到金(jin)(jin)屬晶格，并最終通過聲(sheng)(sheng)子(zi)-聲(sheng)(sheng)子(zi)耦合在(zai)周圍介(jie)質中散(san)失(shi)，形成(cheng)局(ju)部熱點并提高溫(wen)度。在(zai)1000 nm波長的(de)(de)(de)CW激(ji)發(fa)條(tiao)件下(xia)，對矩形分層腔(qiang)超表(biao)(biao)面(mian)（RLCM）進(jin)行的(de)(de)(de)瞬態加熱和(he)穩(wen)態溫(wen)度分布的(de)(de)(de)計(ji)算顯(xian)示，RLCM在(zai)吸收入射(she)(she)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)同(tong)時能(neng)夠有效(xiao)產生光(guang)(guang)熱效(xiao)應(ying)(ying)。這為RLCM在(zai)實(shi)際應(ying)(ying)用中的(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱轉換提供(gong)了重(zhong)要的(de)(de)(de)參數。通過調整太陽能(neng)聚(ju)光(guang)(guang)器C，驗證了在(zai)標(biao)準太陽輻射(she)(she)光(guang)(guang)譜（AM 1.5G）下(xia)，RLCM可根(gen)據需要靈活調整，為不同(tong)應(ying)(ying)用場景提供(gong)了關(guan)鍵的(de)(de)(de)溫(wen)度控制。

圖3.（a）-（d）吸收體分別在440 nm、600 nm、2060 nm和3620 nm處的電場分布。

圖(tu)4（a）和4（b）展示了在(zai)C=500的(de)條件下(xia)，矩形分層腔超表面(mian)（RLCM）在(zai)連續光照(zhao)射下(xia)1毫(hao)秒內的(de)瞬態溫(wen)度(du)(du)及其隨(sui)時(shi)間的(de)變化。在(zai)空氣中(zhong)，1毫(hao)秒內持續照(zhao)射時(shi)，結構的(de)瞬態最(zui)高溫(wen)度(du)(du)達到491°C。圖(tu)4（c）展示了C=500時(shi)RLCM的(de)穩態溫(wen)度(du)(du)分布，高達645°C，滿足多數(shu)光熱應用的(de)溫(wen)度(du)(du)需(xu)(xu)求。在(zai)相同濃度(du)(du)下(xia)，圖(tu)4（d）顯示在(zai)水(shui)中(zhong)的(de)穩態溫(wen)度(du)(du)達到264°C。這(zhe)表明RLCM在(zai)連續波(bo)激勵下(xia)能(neng)高效產生光熱，為水(shui)處理、蒸汽(qi)發電和光熱治療(liao)等領(ling)域(yu)提(ti)供了實現所需(xu)(xu)高溫(wen)的(de)潛力。

圖4.（a）C=500時的瞬態溫度分布，1 ms，（b）C=500時，RLCM的瞬態溫度隨時間變化，（c）C=500時RLCM在空氣中的穩態溫度分布，（d）C=500時RLCM在水中的穩態溫度分布。

圖(tu)5（a）和5（b）展(zhan)示(shi)了C=500條件下，0.1 ms連續波激勵下矩形分(fen)層腔超(chao)表面（RLCM）的(de)熱(re)功率密度(du)(du)（dQ）體(ti)積分(fen)布和瞬(shun)態(tai)(tai)(tai)(tai)溫(wen)(wen)度(du)(du)分(fen)布，熱(re)源主要集中在(zai)金屬層。圖(tu)5（c）顯(xian)示(shi)了RLCM在(zai)空氣和水中的(de)穩態(tai)(tai)(tai)(tai)溫(wen)(wen)度(du)(du)隨(sui)入(ru)射(she)光強度(du)(du)變化(hua)，可通過調(diao)節激發(fa)光強度(du)(du)實現所需溫(wen)(wen)度(du)(du)。圖(tu)5（d）展(zhan)示(shi)了不同波長(chang)和光強下RLCM的(de)穩態(tai)(tai)(tai)(tai)溫(wen)(wen)度(du)(du)，結果表明(ming)RLCM在(zai)太陽能(neng)熱(re)發(fa)電、海水淡化(hua)和光熱(re)器件等領域(yu)具(ju)有出色(se)的(de)穩態(tai)(tai)(tai)(tai)溫(wen)(wen)度(du)(du)性能(neng)，突顯(xian)其廣泛(fan)應用潛力。

圖5.（a）1000 nm波長平面波照射下RHM的熱功率體積密度分布，（b）C=500，0.1 ms的極短光激發后RLCM瞬態溫度分布，（c）不同太陽能濃度下RHM吸收體在空氣或水中的穩態溫度，（d）不同太陽能集中度下穩態溫度分布與波長的關系。

結論與展望

這(zhe)項研究展(zhan)示(shi)了一種高(gao)(gao)效的(de)(de)太陽(yang)能吸(xi)(xi)收器(qi)，通(tong)過(guo)(guo)采用(yong)(yong)基于難熔金屬的(de)(de)創(chuang)新設計。該(gai)(gai)吸(xi)(xi)收器(qi)通(tong)過(guo)(guo)優化超材料(liao)的(de)(de)性(xing)能，實(shi)現(xian)了高(gao)(gao)效的(de)(de)光(guang)(guang)熱轉換。利用(yong)(yong)難熔金屬的(de)(de)卓越吸(xi)(xi)收性(xing)能，該(gai)(gai)吸(xi)(xi)收器(qi)在310 nm-4235 nm波長范圍(wei)內實(shi)現(xian)了理(li)想的(de)(de)吸(xi)(xi)收，覆(fu)蓋了整個太陽(yang)光(guang)(guang)譜。在聚光(guang)(guang)比為500的(de)(de)條件下(xia)，光(guang)(guang)熱轉換過(guo)(guo)程迅速完成，產生令(ling)人印象深刻(ke)的(de)(de)高(gao)(gao)穩(wen)態(tai)溫度。這(zhe)一發現(xian)為太陽(yang)能集熱、光(guang)(guang)熱治療等領域提供了有(you)前途(tu)的(de)(de)應用(yong)(yong)前景(jing)。