鏡 - 台湾ホワイトストーン株式会社

Scientific Reports volume 6、記事番号: 19984 (2016) この記事を引用

3487 アクセス

42件の引用

メトリクスの詳細

我々はここで、ミラー裏打ちされたナノ多孔質アルミナからなる、広帯域、広角、偏光に依存しないほぼ完全な吸収体を紹介します。マクスウェル・ガーネット混合理論に従って、無秩序な多成分アルミニウムを電気化学的に陽極酸化し、ナノ多孔質アルミナの厚さと空気充填率を適切に調整することにより、優れた光熱特性と 93% 以上の吸収を備えた大面積の暗色アルミナを製造できます。近赤外線から紫外線までの広い波長範囲（250 nm ～ 2500 nm）。測定された吸収は、他の報告されている陽極酸化多孔質アルミナよりも桁違いに大きく、通常、同様の波長では半透明です。ただし、このシンプルかつ効果的なアプローチは、リソグラフィー、ナノ混合物の堆積、前処理および後処理を必要としません。ここでは、我々はまた、周囲の可視光から近赤外線までの全スペクトルを効率的に利用する、統合された熱電子エネルギー変換デバイスおよび/または熱光起電力エネルギー変換デバイスにおける提案された吸収体および/または光熱変換器の実用化を想定し、理論的に調査する。

太陽光、黒体放射、電子送信機からの電波などの周囲の電磁放射の電力への変換は、太陽光発電 (PV)1、2、3、熱電変換 (TE)4、熱光起電力 ( TPV）5、6、7、熱電子変換（TC）（または熱電子）8、9、10、11、および電磁波の整流12、13、14。これらの中で、TC および TPV 技術は、太陽光および広い光子エネルギー (赤外線 (IR) から紫外線 (UV) 波長まで) 内の熱放射から光子エネルギーを収集し、それらを熱エネルギーに変換し、その後、熱から電気への直接変換プロセス。理想的には、TC および TPV 太陽電池は、太陽スペクトル全体を効率的に利用することで、従来の PV 太陽電池の根本的な課題を克服できます5、6、7、8、9、10。図1(a)に示す熱電子コンバータは、非常に単純な真空マイクロダイオードに基づいており、集中した太陽照射または熱放射によって加熱された高温電極(エミッタ)が、電位障壁を超えて低温電極(コレクタ)に熱電子を放出することができます。したがって、有用な電力出力が生成されます8、9、10、11。図 1(b) に示す TPV セルは、もう少し複雑な方法で動作します。吸収された熱は、まず周波数選択エミッターによって狭帯域の熱放射に変換され、次に周波数に一致した波長の電磁エネルギーが再放射されます。 PV レシーバーのバンドギャップは、熱化やジュール加熱による損失なしに電気エネルギーに変換されます5、6、7。一般に、TC および TPV ソーラーパネルでは、適度な高温を提供するために、非常に大型の集光器と大型の機械式トラッカーが必要です。効率的なエネルギー変換に必要なポンピング放射照度が高いため、TC および TPV デバイスの使用はコスト、効率、信頼性の点で特に困難になります。広帯域、広角、偏波に依存しない吸収を達成できる、ほぼ完璧な電磁エネルギー吸収体を設計することで、これらの分野で大幅な改善が可能であると考えられています15,16,17,18,19,20,21,22,23。 24、25、26、27 に加え、優れた光熱特性も備えています。

ミラー裏打ちされたナノ多孔質アルミナ吸収体を使用した (a) 熱電子マイクロデバイスと (b) 熱光起電力マイクロデバイスの概略図。用途に応じて電子または熱エミッターと容易に統合できます。

ナノテクノロジーの急速な出現により、高効率でコンパクトな反射防止コーティングまたは表面吸収体の設計が、ナノフォトニクス技術を使用して実現可能になりました。、フォトニック結晶30、31およびメタマテリアル15、16、17。 TC および TPV エネルギー変換デバイスの使用を容易にすることを目的として、市販の 6061-T6 アルミニウムの上にナノ多孔質アルミナフィルムを使用して構築された高性能の大面積吸収体を調製するための、シンプルでコスト効率の高い化学的ルートを開発します。 (Al)基板。この吸収体は、横電気 (TE) 分極と横磁気 (TM) 分極の両方について、広範囲の波長 (250 nm ～ 2500 nm) および入射角 (0° ～ 90°) にわたって 93% を超える吸収率を示します。このような性能は、以前の設計と同等かそれ以上です18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28。しかし、提案されたアプローチは、高スループット、低コスト、大規模なパターン領域、および熱電子および熱光発電システムに統合できるという点で、従来のリソグラフィーナノ構造よりも利点がある可能性があります。また、このミラー背面構造には 2 つの機能があることにも注意してください。電磁エネルギーを吸収し、基板温度を上昇させることによって熱に変換する効率的な吸収体/光熱変換体として機能することを除いて、裏面の金属表面をナノエンジニアリングして、TCおよびTCにおける効率的な熱イオン電子エミッターまたは熱再放射体を実現することができます。 TPV デバイス。

マイクロ/ナノ多孔質金属酸化物、特に陽極酸化アルミニウム (AAO) には、光学、化学、材料科学および工学において幅広い用途があります 32,33,34,35,36,37,38。通常、AAO 膜は準透明で、規則正しく配置された周期的な空気孔を持っています。自己組織化 AAO 多孔質層は、均一で周期的かつよく整列したナノチューブとナノワイヤ 39 の成長や、フォトニックバンドギャップ構造 41,42 の基礎となるナノ粒子アレイ 40 の形成、および反射防止コーティングのテンプレートとして広く使用されています。光トラップ43。これらの用途では、電気化学的薄膜化中に低電流密度および適度な DC バイアス電圧で硫酸アドナイゼーションによって化学処理された高品質アルミニウムを使用して、IR および光周波数で透明な多孔質 AAO 膜が調製されました。高い光吸収を必要とする特定の用途では、通常、光吸収を高めるために金属ナノスフェア 33、44 やカーボンナノチューブ 45 などの損失性コロイドナノ粒子が AAO テンプレート上に堆積されます。この研究では、ナノ混合物の後処理や堆積を行わずに、広い波長範囲で超高吸収を示す大面積の暗いAAO膜を開発するためのシンプルかつ効果的な方法を提案します。具体的には、マグネシウム、鉄、シリコン不純物などのさまざまな合金元素を含む市販の 6061-T6 アルミニウムシートを高電圧硫酸硬質陽極酸化処理しました 46,47。 6061-T6 アルミニウム合金は、低コスト、軽量、高融点、許容可能な強度などのいくつかの利点により、多くの用途で広く使用されています。 6061-T6 アルミニウムには十分に高い濃度の拡散不純物と合金元素が含まれているため、その光吸収は精製アルミニウムよりもはるかに大きくなります。これは、固体中の不純物と結晶欠陥の密度が高いために、電子衝突率 (電子-電子および電子-フォノン) が増加することで説明できます。さらに、高電圧陽極酸化は、6061-T6 アルミニウムの不規則な多成分結晶構造と相まって、陽極酸化アルミニウムの表面に非晶質ナノ多孔質アルミナ層を形成する可能性があります。したがって、合成された AAO の実効屈折率は複素数値となり、関連する虚数部が光学損失の原因となります。その結果、6061-T6 アルミニウム基板に適用される提案された高電圧硫酸陽極酸化処理により、可視および近赤外線の高効率吸収体の簡単、迅速かつコスト効率の高い製造が可能になります。

この研究では、アルミニウム基板上に光学的に損失のある多孔質アルミナ (つまり AAO) フィルムのセットが製造されました。２ｃｍ×２ｃｍの市販の６０６１－Ｔ６アルミニウム合金を標準的な電解研磨によって処理した。次に、このアルミニウム板を０．３Ｍ硫酸溶液に浸漬して硬質陽極酸化処理を行った。硬質陽極酸化プロセス中、DC バイアスは 30 V に固定され、媒体温度は精密な冷却システムによって制御されました。 0 °C、5 °C、10 °C の異なるプロセス温度で 3 つの種を準備しました。硬質陽極酸化プロセスを 1 時間実行し、続いて標準的な脱イオン水ですすぎ、送風乾燥しました。硬質陽極酸化処理における高濃度の硫酸と高い静電バイアス場により、表面の活性酸化により急速なジュール加熱が生じ、表面に形態学的損傷が与えられ、これは処理温度に非常に敏感です。静電バイアスの影響を研究するために、プロセス温度 10 °C で 40 V と 50 V のより高い DC バイアス電圧下で 2 つの種を準備しました。従来の AAO は高価な高純度 (99.997%) アルミニウム箔 33 をベースにして製造されており、赤外線や可視光をほとんど吸収しない光学的に透明な多孔質アルミナが得られます。私たちのアプローチは、同様の電気化学プロセスに基づいていますが、フィッティングされたドルーデモデルでの衝突率が純粋なアルミニウムよりも約 10 倍大きいため、赤外線および可視領域で自然に損失が大きい高不純物合金を利用しました。得られたアルミナは、可視光の広帯域吸収の明確な証拠として、エキゾチックな暗い色を示します。

表１は、異なる陽極酸化条件下で合成されたダークアルミナの厚さと空気充填率（この多孔質媒体中の空気の割合）をまとめたものである。ナノポーラスアルミナフィルムの形態、空気充填率、および厚さは、陽極酸化プロセスにおける電解質濃度、温度、DC バイアスなどのいくつかの要因によって決まります。図 2(a) は、表 1 のさまざまな AAO で覆われた陽極酸化アルミニウムに対応する CCD 画像を示しています。公平な比較のために、未処理のアルミニウムもここに示されています。 AAOコーティング、すなわちナノ多孔質アルミナが、入射する可視光のほとんどを吸収することによって、アルミニウムの高反射表面を劇的に暗くできることは驚くべきことである。また、以下で説明するように、AAO の厚さと空気充填率が増加するため、処理温度を上げると、AAO でコーティングされたアルミニウムの不透明度が大きくなることに注意してください。図 2(b、c) は、図 2(a) のサンプル 4 の上面図と断面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を示しています。我々は、結晶のような六角形の周期性を持つ従来のAAO膜とは異なり、合成されたAAO膜はサイズが不均一で不規則に分布したナノ細孔を示すことを発見した。断面 SEM 画像からは、ナノ細孔のアスペクト比が高く、垂直方向に位置がずれてランダムに配向していることもわかります。

(a) 表 1 のさまざまな種の CCD 画像。(b) サンプル No. 4 の上面図および (c) 断面 SEM 画像。不規則に分布したランダムなサイズの空気ナノ細孔を示します。

ここで我々は、図3(a)に示すように、ミラーバックメソポーラス金属酸化物(MMO)によって可能になる広帯域および広角吸収の概念と実現可能性を実証します。ここで研究した表面陽極酸化アルミニウム合金、つまり AAO とアルミニウムは代表的な構造である可能性がありますが、単純でコスト効率の高い電気化学プロセスを使用して容易に製造できます 48。ランダムに分布したサブ波長介在物からなる N 相複合媒体の場合、その巨視的実効誘電率 εeff は、マクスウェル・ガーネット理論 49 から次のように解析的に導き出すことができます。

(a) TM および TE 偏光平面波の斜入射と、UV-VIS-NIR 分光光度計に基づく反射および吸収測定の概略図。 (b) (a) に対応する伝送線路モデル。 (c、d) は、純粋な 6061 T-6 アルミニウムシートおよび表 1 のさまざまなサンプルの波長に対する吸収の測定値です。ここで、実線は実験データを表し、点はマクスウェル・ガーネット有効媒質理論と伝送線路アプローチに基づく理論的結果を表します。

ここで、pn と εi,n は、この混合物中の N 番目の含有物の体積分率と比誘電率、εm はホストマトリックスの比誘電率です。図 2(b、c) の 2 相メソポーラス材料を考えてみましょう。不規則に分布したサブ波長のナノ細孔は空気で満たされ (つまり εm = 1)、比誘電率 εMMO の金属酸化物ホストマトリックスに埋め込まれています。実効比誘電率は次のようになります。によって与えられた：

ここで、δは空気ナノ細孔の体積分率です。平均直径が 20 nm 未満の空気ナノ細孔は深いサブ波長であるため、この MMO 媒体は比誘電率 εeff の均質媒体として扱うことができます。金属酸化物の複素有効屈折率（または光インピーダンス）を適切に調整することにより、特定の条件下で最大の光吸収を得ることができます。ここでは、図 3(b) に示す伝送線路 (TL) アプローチ 18,50 を使用して、このようなミラー裏打ちされた複合媒体、つまり MMO からの光散乱をモデル化しました。 TL アプローチは、高次の回折フロケットモードを励起せずに、バルク均質媒体に入射する平面波を研究するのに特に適しています。自由空間領域と金属基板は半無限の TL としてモデル化され、MMO 領域は長さ l の TL セグメントとして扱われます。表面法線方向に対する所定の入射角 θ の場合 [図 3a を参照]、有効自由空間波数は、つまり入射波ベクトルの縦方向成分、単位長さあたりの特性インピーダンスは、となります。 TM および TE 入射波の i 番目の媒質。ここで、とは i 番目の媒質の伝播角度、波数ベクトル、固有インピーダンス、ω はラジアン周波数、εi は i 番目の媒質の比誘電率です。 ε0 とμ0 は真空の誘電率と透磁率です。図 3(b) の TL モデルによれば、MMO 表面の入力における反射係数は次のように導出されます。

このシステムの総吸収は次の式で与えられます。

金属基板の比誘電率はドルーデ型分散に従います 51,52, ここで、ωp はプラズマ周波数、γ は衝突率です。アルミニウムの場合、実験データから抽出されたパラメータはとです。ここで使用されるγの値は、6061-T6 アルミニウムにはさまざまな残留不純物と合金元素が存在するため、最高品質の精製アルミニウムの値よりも 9.5 倍大きく、体積に応じて材料損失が増加することに注意してください。空気と損失性アルミナの割合。

図 3(c、d) は、表 1 の 6061-T6 アルミニウムおよびさまざまな陽極酸化アルミナの測定された分光吸収を報告します。ここでは、図 3(a) に示す UV-VIS-NIR 分光光度計 (積分球検出器) を使用して、 250 nm ～ 2500 nm の広い波長範囲でサンプルの光吸収を厳密に特徴付けます。すべての照明角度にわたる分光光度計による測定された平均吸収は次のように定義されます。

実験データ (実線) は、TL モデルから得られた理論的結果 (点) によって検証され、すべてのケースで優れた一致が得られました。ここでは、表 1 の現実的な物理パラメータが理論的な計算に使用されました。 MMO 層 (ここでは AAO) の屈折率は 34、35 で、対象の波長で有効です。我々は、nAAO の虚数部がほとんどの AAO 膜の虚数部よりも大幅に大きく、入射放射線の吸収を高めることが期待されることに注目しました。 TL アプローチは、ミラーバック MMO 構造の散乱と吸収を設計、分析、最適化するための効果的なツールです。図 3(c、d) から、6061-T6 アルミニウムは高品質アルミニウム (物理蒸着やスパッタリングによって製造されたものなど 51、52) よりも損失が大きく、衝突率がほぼ 10 倍であることが明らかです。適合した Drude モデル。アルミニウムのバンド間遷移は波長 λ = 879.4 nm で観察されます 51,52。これは余分な吸収をもたらし、Drude モデルでは考慮されていません。図3(c、d)から、硬質陽極酸化によりアルミニウムの吸収が劇的に増加する可能性があり、陽極酸化温度とDCバイアスが増加すると吸収が増加することがわかりました。より大きなＡＡＯ厚さとより高い多孔性を有するサンプル４は、ＵＶ／可視領域で９３．５％の平均吸収、および近赤外領域で９２．３％の平均吸収を示す。このような高い吸収は、ナノ多孔質 AAO 薄膜が自由空間領域 (背景媒体) に近い実部実効インピーダンス (または屈折率) を持つことができる光インピーダンス整合に起因すると考えられます。式 (2) の混合則に基づいて、AAO の実効インピーダンスは、空気細孔の体積分率を設計することによって自由に調整でき、AAO と入射媒体が等しい値を持つ場合、ゼロに近い反射が得られる可能性があります。特性インピーダンス。図 4(a、d) は、さまざまな波長 (a) 500 nm、(b) 1000 nm、(c) 1500 nm、(d) 2000 nm でのミラーバック多孔質アルミナの吸収の理論的等高線を示しています。気孔率と厚さ。図 3(c、d) のすべての測定サンプルは点で示されています。直感的には、空気充填率がゼロの場合、空気/AAO 界面でのインピーダンス整合が不十分になりますが、空気充填率が 1 に近い場合は、純粋なアルミニウム表面と同様に大きな反射が発生します。図４から、サンプル４は、図３（ｃ、ｄ）の実験的に測定された吸収スペクトルと一致する、対象の波長範囲内で最適な吸収特性を有することが観察できる。ここで合成された AAO 膜は虚数部屈折率が比較的大きいため、十分に厚い AAO 膜は比較的短い光路長で入射光を大幅に吸収する可能性があることに注意してください。その結果、損失の多い 6061-T6 アルミニウムの表面陽極酸化は、AAO 表面コーティングの吸収と反射特性を調整するための効果的なプラットフォームを提供する可能性があります。その形態、多孔性、厚さは、温度、電解質を変えることで容易に制御できます。陽極酸化プロセスにおける濃度と DC バイアス。

アルミナの多孔性と厚さを変化させた、鏡裏付き多孔質アルミナ膜の異なる波長における吸収の理論的等高線。

(a) 500 nm、(b) 1000 nm、(c) 1500 nm、(d) 2000 nm。図 3 のすべてのサンプルは、対応する特性が表 1 にまとめられており、点で示されています。

ここでは、実験で太陽放射をシミュレートするために通常使用されるタングステンハロゲン照明源からの励起下で作製されたサンプルの光熱変換効率を調査します。特性評価されるすべてのサンプルは、照射される表面を除き、起こり得る熱伝導と対流を避けるために断熱されていました。入射光の強度はです。図 5(a) は、図 3(c) のさまざまなサンプルの過渡温度変化を報告しており、光熱変換効率がサンプルの吸収に比例していることを示しています。温度は、温度ロガーに接続された K タイプ熱電対を使用して、0.1 K の精度で直接測定されました。未処理のアルミニウムとサンプル 4 の間の定常状態の温度差が 100 °C を超えていることは驚くべきことです。フォノン緩和 QI を介して光誘起熱によって供給されるエネルギーと外部環境への熱放散 Qext のバランスを考慮すると、次の関係が得られます。ここで mi と Cp,I は i 番目の成分の質量と熱容量です。システムの、T は温度、t は時間です。入射光 QI によって供給される熱エネルギーは、材料内の光吸収、光の強度、熱エネルギーに変換される光エネルギーの割合など、いくつかの要因によって異なります。線形熱システムでは、システムから流出するエネルギーの割合は次の式で与えられます。ここで、H は熱 (散逸) 伝達係数、S は曝露面積、T0 は周囲温度です (ここでは T0 = 30 °C、つまり室温）。この初期条件問題については、吸収体の時間依存温度変化 T(t) を理論モデルで解析できます 53:

(a) 表 1 のさまざまなサンプルと参照の室温について、時間に対する温度の測定された光熱効果。 (b) (a) から抽出したエネルギー吸収率と熱損失の速度定数。

ここで、はエネルギー吸収率、そして

は熱損失の速度定数、m と Cp はバックグラウンド媒体の有効質量と熱容量です。式 (6) を使用して、図 5(a) の温度プロファイルを当てはめました。抽出された経験的パラメータ A0 および B0 が図 5(b) に示されており、平均スペクトル吸収の関数としてプロットされています。測定された温度プロファイルは式 (6) の物理ベースのモデルによって完全に記述されており、定常状態の温度は次のように推定できることが明確にわかります。ここで、極限を取ることは定常状態の条件を意味します。図5(b)は、エネルギー吸収/散逸率と光吸収の間の線形関係を示しています。

ここでは、このミラーバック MMO 構造の実際の TC および TPV アプリケーションへの適用可能性を研究します。まず、図 1(a) の熱電子デバイスについて考えます。このデバイスでは、エミッタ電極は AAO でコーティングされたアルミン酸塩シートで構成されています。前面の AAO 層は、広範囲のスペクトルにわたって太陽光および/または黒体放射を吸収し、吸収された光子エネルギーを熱に変換します。加熱された裏面金属は、低ショットキー障壁の熱電子エミッターでコーティングされている場合、ホットエレクトロンの熱電子放出を引き起こします。一部の低次元ナノ材料は、高い熱伝導率と低い実効仕事関数 (LaB6 ナノワイヤ 54、カーボンナノチューブ 55、グラフェンフレーク 56 など) または負の電子親和力 (ダイヤモンドナノチップ 57 など) を示す、理想的な熱電子エミッターです。 2 つの電極間の真空ギャップがマイクロメートルスケールである場合、コレクタ電極が受け取る最大電流密度を制限する空間電荷効果を無視できます 58。熱イオン放出電流密度は、よく知られた Richardson-Dushman の式で次のように説明できます9:

ここで、はリチャードソン・ダッシュマン定数、n(E) は電子の状態密度、E はエネルギー、q は電子の電荷、me は電子の質量、ħ と KB は換算されたプランク定数とボルツマン定数、φ はポテンシャルです金属表面の障壁 [eV] とおよびは金属表面に垂直かつ平行な電子速度成分です。温度 Te のホットエミッタと温度 Tc のコールドコレクタの間の正味の電子流束は、順電流と逆電流の差によって次のように求められます。以前の研究 8、9、59 は、エミッタ電極 Φe の仕事関数 Φe がコレクタ電極 Φc の仕事関数より大きくなければならないことを示唆しています。

V0 は負荷での電圧降下です [図 6 の挿入図を参照]。また、熱電子的に放出された電子の輸送によって熱が失われます。熱損失を無視した理想的な変換効率は 100% に近づく可能性がありますが、避けられない熱損失により実際の効率は大幅に低くなります。よく知られたステファン・ボルツマンの法則 59 によれば、放射熱損失は次式で与えられます。ここで、σ はステファン・ボルツマン定数、εe と εc はエミッタとコレクタの放射率です (ここではアルミニウムの吸収を想定しています)。コレクタ付近での熱伝導損失や吸収から熱への変換損失など、その他の考えられる熱伝達 Pc は、図 5 の測定結果から抽出されます。エネルギーバランスは、次の関係を示唆しています。

表 1 のさまざまな吸収体の照明放射照度に対する効率的な太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換の予測。挿入図は、ホットエレクトロニクスの熱電子放出を伴う熱電子マイクロダイオードのエネルギーバンド図を示しています。

ここで、Pinc は照明放射照度です。したがって、光から電気への変換効率は次のように定義されます。

電気接点が完全な断熱体と完全な導電体であると仮定すると、変換効率は式 (10) と (11) を同時に解くことによって計算できます。最適な変換効率は、負荷に供給される最大電力を生成する電圧 Vm、つまり 60 で達成されます。Vm の値と最適な変換効率は、太陽光発電の図に似た反復法を使用して数値的に取得する必要があります。 cell60: 短絡状態から開回路状態まで I-V スイープを実行し、最適な動作点を記録します。図6は、図2(a)に示したさまざまな種の入射光の強度に対する理論上の最大変換効率の計算結果を示しています。我々は、表面陽極酸化処理により、光吸収率と発熱率が向上するため、低照度でのアルミニウムシートの光電変換効率を大幅に高めることができることを発見しました。最適な設計、つまりサンプル 4 の場合、デバイスは適度に低い光強度で動作でき、フレネルレンズを使用すれば容易に達成できることを強調しなければなりません。一方、未処理のアルミニウム合金は、デバイスをオンにするために約 25 W/cm2 の強い光を必要とします。特定の熱力学的構造、例えば熱メタマテリアル 61 を使用することにより、断熱性とエネルギー変換効率 (理論的には最大 30% 59) を改善できることに注目します。

我々は、提案されたミラー裏打ちされたダークアルミナ構造が熱光起電力用途にも興味深い可能性があることに注目する。図 1(b) の TPV デバイスは、発電効率の高いツールとして知られています。この場合、表面のナノ多孔質アルミナ層は広い波長範囲の光を収集できる一方、裏面の金属は、光起電ダイオード受光器のバンドギャップエネルギーに合わせて狭い波長範囲の光を再放射するようにナノエンジニアリングすることができます。このシナリオでは、金属基板の各面のナノ構造を設計して、吸収と再放射のスペクトルを制御できます。ここでは、最近提案されたメタマテリアルアプローチ 62、63、64 が広角で波長選択的な熱放射に適している可能性があることに注意します。図 1(b) は、提案されたメタマテリアル構造を示しています。メタマテリアルスラブは、幅 w および周期 d のスリットによって波形化された厚さ h のスクリーンによって形成されます。格子の周期性がサブ波長（d < λ/2）であるとすると、ゼロ次モードを除くすべての回折次数はエバネッセントであるため、図 3(b) の TL アプローチを再度使用して散乱特性を解析できます。このメタマテリアル構造の均質化理論は、式 (2) のメソポーラス二元混合物よりも複雑です。金属格子は、基本的な TM モードをサポートするサブ波長の金属-空気-金属導波路のアレイとして見ることができます (非偏光選択性エミッターは、26 で議論されているように、アルミニウム表面上の対称ナノパターンを操作することによっても可能です)。 TM 波照明の場合、単位長さあたりの特性インピーダンスは、1 周期にわたる電圧と単位長さあたりの電流の比として計算されます。各スリット内では、モード伝播は入射角に依存せず、複素波数ベクトル βs を伴います。これは超越方程式 62 を満たします。

特性インピーダンス Zs は次のように定義されます。

均質なスラブの運動量保存は次のことを示唆しています。

方程式から。 (13) および (14) から、メタマテリアルの有効な材料特性の明示的な式は次のように導出できます。

ここで、散乱問題は、図 3(b) と同様の TL アプローチを使用して解決できます。反射と吸収の式は、新しく定義された特性インピーダンスを使用し、βMMO を置き換えることにより、式 (3) と (4) に似ています。と ZMMO 。図 7(a) は、垂直入射 (θ = 0°) での波長 λ = 800 nm で、式 (4) に従って計算された放射率 (または吸収) の等高線を示しています。放射率 (または吸収) の幅と長さ (w、h) を変化させます。エアスリット (ここでは d = 250 nm)。この図では、最大値が 1 に近い放射率の帯がはっきりと見えます。図 7(b) は、図 7(a) に示された特に構造パラメータを使用し、波長と入射角を変化させたメタマテリアルの放射率の等高線を示しています。ここで (w, h) = (50 nm, 100 nm)。放射率は、設計波長 λ = 800 nm 付近で、広い角度範囲にわたってかなり強いことがわかりました。図 7(c、d) は図 7(b、c) と似ていますが、設計波長が 1 μm、構造パラメータ (d、w、h) = (250 nm、50 nm、100 nm) の場合です。図７（ｃ）の点で示すように。メタマテリアルの形状を調整することで、所望の波長範囲で狭帯域の放射率を設計できることが明確にわかります。このメタマテリアルのアプローチは、裏面金属の熱放射率を抑制するための価値のある代替手段を提供する可能性があります。

（a）ナノスリットの幅wと長さhを変化させた、図1（b）のメタマテリアルベースの熱エミッタの放射率の等高線。ここで、周期は d = 250 nm、設計波長は λ = 0.8 μm です。 (b) (a) の箇所に示された構造パラメータを使用し、波長と入射角を変化させたメタマテリアルベースのサーマルエミッタの放射率の等高線。 (c、d) は (a、b) と似ていますが、設計波長 λ = 1 μm です。

要約すると、我々は、太陽光と地球の赤外線放射を収集するための吸収および光熱変換プラットフォームとして、鏡で裏打ちされたダークアルミナを開発しました。特に、不純物が豊富なアルミニウムから電気化学的陽極酸化処理によって作製されたナノ多孔質アルミナは、自由空間の光学インピーダンスに一致する実数値の光学インピーダンスを有する一方で、光学的に損失があり得る。プロセス条件を最適化することにより、陽極酸化アルミニウムは完全に黒くなりますが、未処理のアルミニウムは鮮やかな反射を示します。光熱実験はさらに、実際のエネルギー変換用途における提案された吸収体の実現可能性を実証します。最後に、提案した吸収体に基づく熱電子太陽電池の変換効率も理論的に調査し、アルミニウム熱電極と比較して効率が著しく向上していることを示しました。さらに、提案された吸収体の裏側にナノ構造のメタマテリアルを統合することにより、吸収された光子エネルギーが狭帯域の熱放射を生成し、熱光起電力太陽電池の PV モジュールを照射することができます。大面積で低コストのダークアルミナは、さまざまなエネルギーハーベスティングおよび変換用途に有望な可能性を示しています。

この記事を引用する方法: Farhat, M. et al. ミラーバックダークアルミナ: 熱電子および熱光起電力にとってほぼ完璧な吸収体。科学。議員第6号、19984年。土井: 10.1038/srep19984 (2016)。

マサチューセッツ州グリーン太陽電池: 動作原理、技術、およびシステムアプリケーション。（ニュージャージー州アッパーサドルリバーのプレンティスホール、1982年）。

Nolas, GS、Sharp, J. & Goldsmid, HJ 熱電: 基本原理と新材料開発。 (Springer-Verlag、ニューヨーク、2001)。

Atwater, HA & Polman, A. 改善された光起電力デバイスのためのプラズモニクス。ナット。メーター。 9、205–213 (2010)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Biswas, K. et al. オールスケールの階層アーキテクチャを備えた高性能バルク熱電素子。ネイチャー 489、414–418 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

テネシー州クーツ熱光起電力発電の進歩のレビュー。再生可能持続可能エネルギー Rev. 3、77–184 (1999)。

記事 CAS Google Scholar

レナート、A.ら。ナノフォトニック太陽熱光起電力デバイス。ナット。ナノテクノロジー。 9、126–130 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Rephaeli, E. & Fan, S. Shockley-Queisser 限界を超える効率を達成するための、太陽熱太陽光発電システムの吸収体および放出体。オプション。エクスプレス 17、115145 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

ハツォポロス、GN およびギフトポロス、EP 熱電子エネルギー変換。 (マサチューセッツ州: Mit Press、ケンブリッジ、1979 年)。

Meir, S.、Stephanos, C.、Geballe, TH & Mannhart, J. 太陽エネルギーと熱を電力に変換する高効率の熱電変換。 J.リニューアル。持続する。エネルギー 5、043127 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Liang, SJ & Ang, LK グラフェンからの電子熱電子放出と熱電子エネルギー変換器。物理学。 Rev.Appl. 3、014002 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Fang、Z.ら。液体に浸漬された金属ナノ粒子における光誘起蒸気生成の進化。ナノレット。 13、1736–1742 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Knight, MW、Sobhani, H.、Nordlander, P.、ニュージャージー州ハラスアクティブ光アンテナによる光検出。サイエンス 332、702–704 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ソバーニ、A.ら。プラズモン誘起ホットエレクトロンデバイスによる近赤外の狭帯域光検出。ナット。共通。 1643 年 4 月 (2013 年)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Grover, S. & Moddel, G. ソーラーレクテナへの金属/絶縁体/金属 (MIM) ダイオードの適用性。 IEEE J. 太陽光発電 1、78–83 (2011)。

記事 Google Scholar

アオ、X.ら。非平面基板上の広帯域金属吸収体。 Small 11、1526–1530 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ハオ、J.ら。プラズモンメタマテリアルをベースにした高性能光吸収体。応用物理学。レット。 96、521101 (2010)。

Google スカラー

Liu、X.ら。選択的熱エミッターとして赤外線メタマテリアルを使用して黒体を制御します。物理学。レット牧師。 107、045901 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Moreau、A. フィルム結合コロイドナノアンテナを備えた制御された反射率表面。 Nature 492、86–89 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fang, Z.、Zhen, YR、Fan, L.、Zhu, X.、Nordlander, P. 可視周波数における調整可能な広角プラズモン完全吸収体。物理学。 Rev. B 85、245401 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Aydin, K.、Ferry, VE、Briggs, RM & Atwater, HA 極薄プラズモニック超吸収体を使用した広帯域偏光非依存共鳴光吸収。ナット。共通。 2, 517 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Tagliabue, G.、Eghlidi, H. & Poulikakos, D. 高速応答低赤外線放射広帯域極薄プラズモニック光吸収体。科学。議員第 4 号、7181 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, Z.、Palacios, E.、Butun, S.、Kocer, H. & Aydin, K. 大面積の極薄損失金属膜コーティングを使用した全方向性広帯域光吸収。科学。議員第 5 号、15137 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hedayati, MK、Faupel, F. & Elbahri, M. 可視周波数における調整可能な広帯域プラズモニック完全吸収体。応用物理学。 A 109、769–773 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

テペリク、TV 他ナノ構造の金属表面における全方向の吸収。ナット。フォトニクス 2、299–301 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Cui、Y.ら。鋸歯状異方性メタマテリアルスラブによる超広帯域光の吸収。ナノレット。 12、1443–1447 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Argyropoulos, C.、Le, KQ、Mattiucci, N.、D'Aguanno, G. & Alu, A. プラズモンブリュースターメタ表面に基づく広帯域吸収体と選択的エミッター。物理学。 Rev. B 87、205112 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Amin, M.、Farhat, M.、Bagci, H. 超広帯域多層グラフェン吸収体。オプション。エクスプレス 21、29938 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, PY、Farhat, M. & Bagci, H. 帯域幅が強化されたコンパクトな赤外線吸収体を設計するためのグラフェンメタスクリーン。ナノテクノロジー 26、164002 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Le、KQ、Bai、J. & Chen、PY 薄膜有機タンデム太陽電池における吸収強化のための誘電体反射防止ファイバーアレイ、IEEE J. Sel. 上。量子電子。 22、4100406 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

ブッシュ、K.ら。フォトニクスのための周期的ナノ構造。物理学。議員 444、101–202 (2007)。

記事 ADS Google Scholar

Yablonovitch、E. フォトニックバンドギャップ構造。 J. Opt. 社会午前。 B 10、283–295 (1993)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Goad、DGW & Moskovits、M. 酸化アルミニウム中のコロイド金属。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 49、2929–2934 (1978)。

記事 ADS CAS Google Scholar

増田宏 & 福田和子。陽極アルミナのハニカム構造を 2 段階で複製して作製した規則的な金属ナノホールアレイ。サイエンス 268、1466–1468 (1995)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Katari, Y.、Hane, K.、Sai, H.、Yugami, H. 多孔質アルミナ膜マスクを使用して作製された 100 nm 周期のシリコン反射防止構造。応用物理学。レット。 78、142–143 (2001)。

記事 ADS CAS Google Scholar

柳下哲也、近藤哲也、西尾健一、増田英. 陽極多孔質アルミナを用いたナノインプリンティングに基づくポリマーの反射防止構造の最適化。Ｊ．Ｖａｃ．科学。技術。 B 26、1856 ～ 1859 年 (2008)。

記事 CAS Google Scholar

Li, F.、Lan, Z. & Metzger, RM 陽極酸化アルミニウムにおける高度に規則正しい細孔の成長について。化学。メーター。 10、2470–2480 (1998)。

記事 CAS Google Scholar

Sachiko, O.、Saito, M.、Asoh, H. 局所電流集中によって誘起される陽極多孔質アルミナの自己秩序化。電気化学。ソリッドステートLett. 7、B21–B24 (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, K. et al. ガラス上の AAO における非対称の光反射効果。オプション。エクスプレス 19、1301 ～ 1309 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Routkevitch, D.、Bigioni, T.、Moskovits, M. & Xu, JM 多孔質陽極酸化アルミニウムテンプレートにおける CdS ナノワイヤーアレイの電気化学的製造。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 100、14037–14047 (1996)。

記事 CAS Google Scholar

中山 K.、勝明 T.、アトウォーター HA プラズモニックナノ粒子は、GaAs 太陽電池における光吸収を強化しました。応用物理学。レット。 93、121904 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Shingubara, S. 多孔質アルミナテンプレートを使用したナノマテリアルの作製。 J.ナノ粒子研究。 5、17–30 (2003)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ミクルスカス、I.、ジュオドカジス、S.、トマシウナス、R.、デュマス、JG 新しいハイブリッド法によって成長させた酸化アルミニウムフォトニック結晶。上級メーター。 13、1574–1577 (2001)。

3.0.CO;2-9" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1521-4095%28200110%2913%3A20%3C1574%3A%3AAID-ADMA1574%3E3.0.CO%3B2-9" aria-label="Article reference 42" data-doi="10.1002/1521-4095(200110)13:203.0.CO;2-9">記事 CAS Google Scholar

Chattopadhyay, S. et al. 反射防止およびフォトニックナノ構造。メーター。科学。工学 R議員 69、1–35 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

Sander, MS および Tan, LS 陽極アルミナ膜をテンプレートとして使用して製造された表面上のナノ粒子アレイ。上級機能。メーター。 13、393–397 (2003)。

記事 CAS Google Scholar

リー、JSら。陽極酸化アルミニウムテンプレート上でのカーボンナノチューブの成長: チューブインチューブおよび直線的に接合されたチューブの製造。化学。メーター。 13、2387–2391 (2001)。

記事 CAS Google Scholar

金属ハンドブック、特性と選択: 非鉄合金および特殊用途材料、第 10 版、Vol. 2 (ASM、オハイオ州メタルズパーク、1990)。

Losic, D. & Santos, A. 電気化学的に加工されたナノ多孔質材料: 方法、特性、および応用。 Vol. 220 (Springer、2015)。

Patnaik、P. 無機化学物質のハンドブック。 Vol. 28 (ニューヨーク州マグロウヒル、2003)。

Tretyakov, S. 応用電磁気学の分析モデリング。（アーテックハウス、マサチューセッツ州ノーウッド、2000年）。

Chen、PY & Alù、A. グラフェンナノ構造に基づくテラヘルツメタマテリアルデバイス。 IEEEトランス。サイエンステクノロジー。 3、748–756 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

オーダル、MA、ベル、RJ、アレクサンダー、RW、ロング、LL、クエリー、MR 赤外および遠赤外における 14 種類の金属の光学特性: Al、Co、Cu、Au、Fe、Pb、Mo、Ni、Pd、Pt 、Ａｇ、Ｔｉ、ＶおよびＷ。オプション。 24、4493–4499 (1985)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ウェスト、P.ら。より優れたプラズモニック材料を探してください。レーザーフォトン。改訂版 4、795–808 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Richardson, HH、Carlson, MT、Tandler, PJ、Hernandez, P. & Govorov, AO 金属ナノ粒子溶液における光から熱への変換と集団加熱効果の実験的および理論的研究。ナノレット。 9、1139–1146 (2009)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang、H.ら。単一の LaB6 ナノワイヤからの電子の電界放出。上級メーター。 18、87 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Liang, SJ & Ang, LK グラフェンからの電子熱電子放出と熱電子エネルギーコンバーター。物理学。 Rev.Appl. 3、014002 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chuang、FT、Chen、PY、Cheng、TC、Chien、CH & Li、BJ 柔軟なカーボンクロス基板上のチオール化多層カーボンナノチューブの電界放出特性の向上。ナノテクノロジー 18、395702 (2007)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Smith, JR、Bilbro, GL & Nemanich, RJ 負の電子親和力ダイヤモンドエミッターを使用して、真空熱イオンエネルギー変換デバイスの空間電荷を軽減します。ディアム。関連。マット。 15、2082–2085 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

Chen、PY、Cheng、TC、Tsai、JH & Shao、YL 電界放出ナノデバイスにおける空間電荷効果。ナノテクノロジー 20、405202 (2009)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

House, JH 熱電子エネルギー変換器の理論効率。Ｊ．Ａｐｐｌ．物理学。 30、481–487 (1959)。

記事 ADS Google Scholar

Sze, SM & Ng, KK 半導体デバイスの物理学第 3 版（ワイリー、ニューヨーク、1969年）。

Maldovan, M. フォノニクスにおける音と熱の革命。 Nature 503、209–217 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Alù、A. プラズモニックブリュースター角: 光学格子を通る広帯域の異常な透過。物理学。レット牧師。 106、123902 (2011)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

マティウッチ、N. 他金属の熱放射率を制御する: メタマテリアルのアプローチ。応用物理学。レット。 100、201109 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Argyropoulos、C.、Chen、PY、D'Aguanno、G.、Engheta、N.、Alu、A. ε-near-zero プラズモニックチャネルの光学的非線形性の増強。物理学。神父牧師 B 85、045129 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

この研究は、米国空軍科学研究局によって部分的に支援されました。

Division of Computer, Electrical and Mathematics Sciences and Engineering, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-69100, サウジアラビア

モハメド・ファーハト & ハカン・バグチ

国立高雄応用科学大学 (KUAS) 機械工学部、高雄、80778、台湾、中華民国

ツン・チエ・チェン

ミネソタ大学電気工学部、ダルース、55812、ミネソタ州、米国

カイ。 Q.ル

ウェイン州立大学、電気およびコンピュータ工学部、デトロイト、48202、ミシガン州、米国

マーク・ミンチェン・チェン & パイイェン・チェン

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

P.-YC はこの研究のアイデアを思いつきました。 T.-CC は、ダークアルミナの合成と光学測定の大部分を実施しました。 MF、T.-CC、KQL、M.-MCC、HB、P.-YC が結果の分析に貢献し、原稿をレビューしました。

著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

この作品は、クリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされています。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、クレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材がクリエイティブコモンズライセンスに含まれていない場合、ユーザーは素材を複製するためにライセンス所有者から許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Farhat, M.、Cheng, TC.、Le, K. 他ミラーバックダークアルミナ: 熱電子および熱光起電力にとってほぼ完璧な吸収体。 Sci Rep 6、19984 (2016)。 https://doi.org/10.1038/srep19984

引用をダウンロード

受信日: 2015 年 9 月 29 日

受理日: 2015 年 12 月 18 日

公開日: 2016 年 1 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep19984

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

ナノスケール研究レター (2021)

科学レポート (2021)

科学レポート (2020)

科学レポート (2017)

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。