双向完美光学吸收超表面

近年来,由于温室效应及石油危机,开发绿色能源逐渐成为世界关注的焦点。其中根据光伏原理所发展的太阳能电池,更是绿色能源中极重要的一员。然而,光对电的能量转换效率一直是太阳能电池相当大的瓶颈,而在影响能源转换效率的各个因素中,如何使光波有效地被材料所吸收,更是最关键的一环。由于微纳超材料利用其特殊电磁场共振原理,可作为光吸收器,使光子吸收率提高,达到光捕获的目的。同时超材料也可以使光局限在材料中,增加光路长度,使光子吸收机率近一步提升。因此可利用平板型超材料制作太阳能电池,提升能量转换效率。

随着超材料的发展,基于超材料结构的光吸收器可以很好的实现了对光的完美吸收。同时通过微纳结构的设计,科研人员在光学以及太赫兹波段实现了偏振不敏感、广角、多吸收峰以及宽谱吸收的超材料完美吸收器。传统超材料吸收器是基于多模干涉原理来减少透射和反射光强度,从而实现对光波的吸收,然而利用这种方法设计的吸收器大多是由“三明治”结构组成,即微纳结构层、电解质层以及金属反射层,这会使得吸收器会带来很多设计上的限制,并很难实现吸收器功能的进一步优化,并且由于金属反射层的存在,传统超材料吸收器无法实现对光的双向吸收。因此,急需一种新的理论来设计超材料吸收器,并打破结构设计上的限制。

AOM-chenshuqi

南开大学陈树琪教授课题组实现了一种对近红外光双向完美吸收的无衬底超表面。所提出的双向完美吸收器与传统超材料吸收器具有完全不同吸收机理,它是由两层纳米镂空结构组成。通过对微纳结构的特殊空间排布,材料表面形成高梯度的相位分布,使得入射光与材料相互作用后转化为倏逝波,从而实现了对光的完美吸收。同时,由于所提出的超表面材料具有无衬底特性,因此在z方向上微纳结构具有严格的镜面对称性,这就使得光从两侧入射下,材料具有完全相同的吸收谱,从而实现对光的双向完美吸收。该超表面结构突破了传统超材料吸收器的理论限制,使得材料对光吸收能力提高一倍,在光学探测、太阳能收集以及传感等方面具有很好的应用前景。相关论文发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201700152)上。

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