设计用于可见光和紫外光谱应用的具有超宽带吸收的分裂六边形贴片阵列形状的纳米元吸收器

介绍

自古以来，材料工程一直在为人类的发展历史做出贡献，“超材料”即将成为重要的转向突破之一。 “Meta”表示材料类型的变化，显示出独特的介电特性，如负介电常数和磁导率，易于制造 [1]。超材料中不同的应用潜力 [2, 3] 使全球的几位研究人员更加好奇地在各自的研究领域进行标杆创新。可见光频率范围内的光子能量转换并将其纳入能量收集，特别是基于太阳能电池的能量研究，是超材料吸收器中很有前景的领域之一 [4,5,6]。可见光谱或紫外线范围的光波总是围绕着我们，没有严重的问题和充足的能量。在所有已建立的利用技术中，光伏（PV）技术广泛应用于现场应用，并且在过去几年中，人们提出了最先进的方法来提高性能以在未来的绿色能源挑战中取得平衡.例如，用于提高效率的单晶、多晶和多晶电池、使用金属卤化物钙钛矿的光伏开发、用于提高功率转换效率的有机和量子点光伏、影响功率输出的光伏相关材料的光电质量 [7] 等在。此外，材料制造方法，如高质量光伏钙钛矿层的顺序沉积 [8]、涂层和印刷的光伏钙钛矿 [9]、光子回收 [10] 或基于最大功率点质心类比的算法 [11] 等。专注于提高太阳能电池的效率。

此外，还探索了使用天线和整流器（二极管）组合称为“整流天线”的太阳能收集潜在领域，以提高典型光伏电池的效率。整流天线的研究主要用于基于微波的电力传输，因为它可以高效地将微波能量转换为电能。例如，使用纳米技术的原型专利 [12] 专注于以更高的效率将光转化为电能，目前与传统太阳能电池兼容。实验程序表明，放置在 PV 模块下方的整流天线输出 380 至 480 W/m ² 组合模块从 10-20% 增加到 38-40%。由于纳米制造技术的限制，大多数原型在远红外范围内工作，而不是在可见光谱范围内。可以预期，纳米技术的发展可能会进一步加速这种方法。因此，最近的文章采用了多种策略来收集太阳能，例如通过多端口透明天线混合射频太阳能 [13] 实现了 72.4% 的效率和 53.2% 的射频到直流转换效率。进化偶极纳米天线 (EDN) [14] 通过电子束光刻技术制造，专用于效率优化，与经典偶极纳米天线 (CDN) 相比，效率从 30% 提高到 40%。与 SiO2 隧道集成的金属-绝缘体-金属 (MIM) [15] 显示转换效率超过 90%，Zhang 和 Yi [16] 提出了一种使用领结形纳米整流天线的类似方法，声称转换效率为 73.38%。同样，具有嵌入式肖特基二极管“法布里-珀罗 (FP)”谐振器的超材料启发整流天线 [17] 表现出高 Q 因子和 16 倍的性能提升，受超材料启发并由半经典模型开发的光学整流天线表现出高效率，低成本太阳能电池 [18]。不仅如此，还探索了超材料特性的几种变化，例如具有双吸收功能的可切换超材料 [19]、基于二氧化钒的薄超表面、锗启发超表面用于可调传感 [20]。除了能量收集的传统想法外，大多数超材料吸收器或天线是为射频能量收集而不是可见光谱开发的。这些文章中的能量收集 [21, 22] 无法为太阳能电池做出贡献。

由于阻抗匹配、单元电池和 PV 电池之间的集成、从单元电池到 PV 单元的转换能量馈送、光子转换效率等几个限制因素，THz 范围整流天线或超材料吸收器的最新研究启发了纳米整流天线仍在实验室实验或分析中，运输损失等。此外，光伏电池可能会随着环境参数和可见光谱中的窄吸收带而降低性能。然而，纳米级天线或吸收器正在通过采用先进的设计和制造技术进行探索，例如全向结构等离子体吸收器 [23] 的收集效率约为 38%，柔性基板天线电磁收集器 (NEC) [24] 通过克服光学性能显示 90% 的吸收。材料和制造约束的行为。纳米级结构的独特光学和电学特性 [25,26,27,28,29] 揭示了具有动态材料特性的各种吸收百分比范围。尽管大多数报道的复杂结构在太阳能清除中的应用具有挑战性，但在实验基础上用于预期应用的一些超材料吸收器 [30, 31]。通过天线将入射的电磁波转换为交流信号，二极管可以将其整流为可用的直流电压。在射频中可以获得超过 90% 的转换效率。然而，由于复杂的过程和基于二极管的整流太慢的响应，将整流天线扩展到光学区域非常困难。 H. Barlow 在 1954 年报道了一项鲜为人知的不带二极管的直接光电转换工作，称为动态霍尔效应 (DHE)。有人提出通过斜向的动态电场和磁场的共同作用来产生直流电压。入射辐射。这种效应理论上由所有导电材料表现出来，并且适用于从微波到可见频率的整个 EM 光谱，具有快速响应 [32]。因此，使用超材料提高太阳能收集系统效率的潜在领域还有待探索、分析和重新部署所有可用技术，以在应用层面加快典型太阳能电池的效率。

在本文中，我们提出了一种基于三纳米层材料的 SHPA 超材料吸收器，该材料具有在可见光和紫外区域模拟的 DNG 特性，用于太阳能收集。有限差分时域 (FDTD) 分析方法遵循结构形成、分析和商用 CST Microwave Studio (MWS) 2017 用于模拟。因此，适用于波传播分析的标准边界条件以及 TE、TM 平面偏振也为广角吸收建模。对于结构优化的纳米范围超材料吸收器，遗传算法 (GA) 已成功应用于许多不同的设计，并获得了积极的结果 [33, 34]。因此，所提出的吸收器采用了类似的算法 [33] 来寻找负折射率材料 (NIM) 特性。图 1c 说明了 GA 优化的晶胞设计域，其中纳米分割六边形和分割的 10 × 7 网格。在网格内部，一个细分的 3 × 3 网格描绘了六边形。实际机制是数据插值，以在保留纳米结构形状的同时，在不同几何尺寸的情况下获得改进的吸收。该 GA 的目标是提取具有最大可能 NIM 特性的可见频率的 SHPA 超材料。仿真过程中评估的散射参数进入 MATLAB 程序以提取表征和相关属性分析。数值研究表明，在具有显着左手超材料特性的两个频率范围内，吸收率均超过 95%。因此，所提出的 SHPA 和进一步的制造验证可以证明其潜在的应用领域，如太阳能收集、太阳能电池的光子积累过程或光子放大。

SHPA 纳米级吸收剂。 一 物理维度。 b 模拟设置。 c GA优化编码说明

计算设计和方法

SHPA 超材料吸收器被建模为双层基板、砷化镓 (GaAs) 和镍（光学），以及在金 (Au) 上设计的贴片层。 80 nm 厚的 GaAs 具有 12.94 的损耗介电常数和 100 nm 厚的 Ni（图 1a）。表1显示了晶胞结构的详细尺寸。 SHPA贴片的厚度为90 nm，Au薄膜对局域磁场的影响可以忽略不计，各向同性电导率为4.1×10 ⁷ 秒/米 [35]。根据“各向异性德鲁德电导率张量”[36]，仅考虑局部磁场的 Z 分量。因为其他两个轴的正交分量比 Z 分量弱得多。在 X 和 Y 方向的模拟周期边界条件中，分别在顶层和底层应用 PEC（完美电导体）和 PMC（完美磁导体）（图 1b）。通过引入局部磁场确保了晶胞的各向异性电导率。模拟了 SHPA 的 S 参数，范围从 430 THz 到 1000 THz，步长为 100 THz。通过 A =1-T-R 获得的反射 (R)、透射 (T) 和吸收 (A) 范围，其中 |S 11| ² =R 和 |S 21| ² =T.由E定义的电场平面波 =E x cos(ωt + kz ) 向 Z 轴传播，其中 E x 是电场的幅度，ω 是角频率，t 是时间，k 是波数。

Pendry [37] 提出的超材料几何结构开发广泛适用于微波范围，但太赫兹范围，即可见光和光频显示出负渗透率和平行传播多层基板的主要缺点。因此，另一种设计方法 [38] 金属 - 电介质 - 金属说明了作为正常传播到结构的共振磁偶极子的良好响应，该结构表现出负磁导率并且简化的层结构在纳米级制造相对容易。此外，在三维设计具有 DNG 特性的超材料吸收器需要结构上的几个特征，如反向传播、反向多普勒效应、渐逝波放大等。 尽管专家们已经描述了关于可见频谱的理论分析和能力 [39 ,40,41]。因此，基于薄膜纳米结构 DNG 特性的 MA 与负 ε 有关 和 μ 并且通常用作周期性薄金属阵列。薄金属贴片阵列稀释了“德鲁德”模型描述的自由电子等离子体，但我们认为上层是有损的

其中 ω p 降低的等离子体频率取决于薄层的几何尺寸，ω 米 是磁共振频率，γ 米 损失，M 米 决定了磁共振的强度。

结果、分析和讨论

单元电池功率和介电特性

根据光量子方法，在晶胞的边界条件下需要一定的功率，特别是在传播方向、极化角、电场和磁场电流等方面。所以，让我们分析一下在多晶方向上传播所需的能量[42]。等式 (2) 和 (3) 基于受 [42, 43] 启发的复杂 Poynting 矢量定理。事实是，单元电池接收的功率是太阳光，这是全方位的，使用吸收器的功率流必须朝着提高效率的方向流动。因此，传播波的功率正比于与时间平均参数相关的矢量的实部。一个或两个端口处的受激功率将通过单位单元传播。其余能量将通过所有端口离开（输出功率）。晶胞中接受的功率转换为损耗，如介电材料特性、贴片或考虑用于 SHPA 纳米臂的集总元件。考虑Z中复平均功率的实部 -方向

这也适用于（Z-ve 方向）描述特定端口处的净能量流。方程中的 ½ 因子。 (2) 与顺时针场的时间平均有关。由于非传播无功或存储能量，可以忽略功率的虚部，并且可以计算传输功率 (PT)，观察沿 X 的平均时间功率 和 Y 轴分别-

类似地，使用 [43] 中的方程计算接受和输出功率并绘制在图 2 中，其中在模拟过程中观察到相关功率（图 2a）和通过晶胞的功率（图 2b）。整个频谱中的受激功率限制为 0.5 瓦，而两个端口中的接受功率和出站功率具有相反的功率分配。然而，由于偶极矩惯性与工作频率范围和非均匀材料穿透状态，3D 潮流表现出不寻常的特性。从430 THz开始，大部分偶极矩没有组织，因为初始阶段的THz操作具有极化效应，并且在715 THz之后稳定地具有适当的偶极效应，一直持续到1000 THz。此外，GaAs 材料的半导体特性，以及 Ni 的铁磁特性，都有助于阻止

SHPA 元吸收器中的功率分布 (a ) 二维分布 (b ) 通过晶胞的 3D 功率流

力量流但幸运的是没有那么占主导地位。介电特性 (ε , μ , η ) 从 S 参数中提取，用于数值研究以评估超材料特性。具有三种不同材料的晶胞吸收器在 EM 波传播中具有独立的特性，但这种独特的结构尺寸与顶部贴片上的级联电容和电感改变了单个材料介电特征的传统特性并描绘了独特的特性。现在，提取介电特性DRI方法[44]，其中透射系数（S21）和反射系数（S11）是关键参数。

图 3 显示了所提出的 SHPA 纳米超吸收剂的所有模拟结果。图 3a,b S11 和 S21 的幅度在实部和虚部几乎一致。尽管由于结构的趋肤深度（δ）效应，红外范围响应具有三个连续的小共振点，但幸运的是，它在获得负介电常数、磁导率和折射率方面起到了积极的作用。图 3c、d、e 分别显示了这些特性的实值和虚值，并确保所提出的 SHPA 上存在超材料。此外，由于太阳能收集的应用前景，需要考虑强热电磁渐逝场 [45]。 [45, 46]实验中提到，在近场辐射过程中，两个连续的材料热传导逐渐增加。此外，表面极化子也主导倏逝波，根据“德鲁德模型”，复介电常数和渗透率由晶胞内的波极化决定。图 3 c、d、e 显示了介电特性，其中介电常数和磁导率的较低波长操作受此倏逝波影响。因此，所提出的晶胞的负面特征明显可见并确保良好的电磁吸收。图4中SHPA纳米吸波器的传输线特性和VSWR（电压驻波比）清楚地显示了反射量

SHPA 超材料特性。 一 S11 响应。 b S21 响应。 c 介电常数。 d 渗透性。 e 可见光和红外光谱的折射率

史密斯圆图显示了在归一化阻抗下，单元电池 SHPA 的 VSWR 在整个频谱范围内

和传输线性能。 430 THz 阻抗下的 VSWR 很高，并且线路的半波长从源端到负载端没有很好的匹配。因此，在较低频率下，EM 信号吸收量也较低，但逐渐地，阻抗试图尽可能匹配（与归一化的阻抗），从而在红外光谱（1000 THz）处产生 90% 以上的吸收。由于晶胞代表吸收元件而不是辐射元件；因此，它在负载侧的 VSWR 没有更高的值。

场效应分析

光的电磁性质是可见光区域的横向电磁波。来自太阳的光分为三种光谱：红外线、可见光和紫外线 (UV)。太阳光的光谱能量分布在可见光范围内的最大强度为 1.5 eV，类似于大多数半导体材料，而另外两个光谱在吸收后会产生热量。因此，考虑到典型的可见光 EM 传播和图 1b 中所述的边界条件，电场（E 场）和磁场（H 场）数值性能如图 4 所示。虽然谐振频率 445 THz 特性存在于图中但整个带宽 430~650 THz 具有类似的场分布。现在，[47]

其中一维向量微分算子∇随电磁波传播过程中的相位变化而略有变化，电场和磁场分量为E 米 和 H 米 分别，传播常数\( \gamma =\sqrt{j\omega \mu \left(\sigma + j\omega \varepsilon \right)} \)是一个与波的衰减和相位偏差相关的复数。由于可见光波具有波和粒子的特性，通过晶胞材料的波传播在 E 场和 H 场特性方面表现出变化。此外，γ 随着工作频率逐渐增加，与介电特性呈非线性关系。图 5 显示了 SHPA 显着电场分量 (2.31 × 10 ⁶ V/m（以对数标度表示）存在于共振 550 THz 处。尽管在模拟频率区域（可见光和紫外线）上，观察到的这种强电场的幅度略有变化。水平和垂直补丁条（有四个分裂）也贡献了幅度变化的场分量（2.08 × 10 ⁵ ~2.31 × 10 ⁶ V/m 对数刻度）。在给定电容和电感值为 1.37 × 10 ⁻¹⁷ 的 SHPA 单元（两级级联）瞬态分析期间 nF 和 3.87 × 10 ⁻¹⁴ nH 加速共振频率场操作。 H 场（图 5b）具有来自沿 Z 方向的 EM 传播的类似影响，并且在不均匀的介质穿透期间，方程。 (5) 成为Z的函数 其中磁导率常数。然后将对应的波动方程简化为“Ricatti微分方程”[48]

共振频率为 550 THz 时对 SHPA 的场效应。 一 电场。 b H场

其中 k 是波数，m(z) 是复折射率。此外，波的相位延迟随着自由空间和介质中的相速度比的增加而增加，这是所提出的晶胞 SHPA 降低反射率并从波中吸收更多能量的另一个重要贡献。

在提议的单元电池 SHPA 上研究了光波的偏振，以解释单元电池用于太阳能收集的可行性，因为通过表面的偏振波在传播过程中会失去能量。哈密​​顿公式 [49] 提到，在 GaAs 材料上的波的不同入射角中，过渡偶极子矩阵元素因 TE 和 TM 极化而异。 TE 和 TM 模式的极化角都增加了 40° 的步长（图 6），与磁场取向相比，电场极化角具有惊人的主导作用。在 TE 模式下，在较低的范围内，大约 430–650 THz（690 nm 至 460 nm）[50]，对于给定的 Ni-GaAs 衬底组合差异，芯层和包层之间的差异导致不同的折射率增加当可见波长接近带隙时。因此，在该光谱上观察到吸收量的波动（图 6a），而 TM 偏振显示类似类型的波动，尽管偏振角从 0° 变化到 120°。在 TM 模式下，对于更长的波长，相位失配通常会变大。此外，六边形形状在分裂间隙和贴片高度变化期间对吸收有显着影响。分裂间隙贴片形成的电容是变化的，而贴片位置的相邻电容是固定的。图 6c 裂隙从 5 nm 变为 25 nm，降低裂隙可提供出色的吸收，因为电容很大。尽管间隙发生变化，5 nm 的吸收率几乎保持在 90% 以上，并且分裂间隙的逐渐增加使得初始吸收率下降约 430-500 THz，但在模拟过程中观察到的整体吸收率为 95%。就 SHPA 高度而言（图 6d），当贴片分裂保持 10 nm 时，EM 信号传播区域对于垂直入射和倾斜入射共同增加，因此分裂高度优化为具有更高的吸收值。对于SHPA高度或厚度60 nm至90 nm的平均吸收率为85%至88%，直接说明了针对90 nm的优化。

极化对吸收的影响。 一 TE 极化。 b TM极化和SHPA结构效应。 c 裂隙与吸收。 d 高度 vs. 吸收

但是，SHPA 的制造原型和测量结果将支持模拟数据，这将在下一阶段的研究中进行。此外，表 2 中描述的比较图片以了解所提出的纳米超吸收剂的贡献。在表2中，报道的文章[51]显示了良好的效率，但工作频率和窄带性能使其无法符合可见频率工作。另一篇文章 [52, 53] 声称用于太阳能收集应用，但与其他文章相比，带宽和工作范围使其更容易受到攻击。

结论

在本文中，提出了一种使用基于 GaAs 和 Ni 衬底的 Au 六纳米臂的分裂六边形超材料吸收器，用于太阳能收集应用。光量子分析和功率流分布在数学上表明，所提出的单元电池对于光伏或太阳能电池应用具有显着的光子转换可能性。根据参数研究，基于介电特性、传输线性能、场和功率分布、吸收来分析所提出的单元电池 SHPA 的性能。所有数据均通过 CST MWS 模拟从 S 参数中提取，这表明 DNG 特征存在于可见光和紫外光谱中的超宽带 EM 吸收（超过 95%）。优化的 Hexa 贴片单元是 10 nm 的分裂间隙和 90 nm 的高度，用于规定的吸收。所提出的吸收器的实验验证将进一步成为太赫兹范围能量收集应用的理想候选者。

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

CDN：

经典偶极纳米天线

DRI：

直接折射率

DNG：

双重否定

EM：

电磁

FDTD：

有限差分时域

GA：

遗传算法

PV：

光伏

SHPA：

分裂六边形贴片阵列

紫外线：

紫外线