论文信息：

Jinnan Chen and Junpeng Guo, Metal-Dielectric Thin Film Structure Metamaterial for Obtaining High Equilibrium Temperature Under Direct Solar Optical Radiation, IEEE Photonics Journal, 2214305（2022）.

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9705107

研究背景

光吸收器是太阳热能收集系统的关键元件。理想的太阳光吸收器优选在宽带太阳光谱上具有单位吸收率，并在长波长红外光谱内存在零热发射。目前，金属-电介质多层薄膜结构由于低成本的无光刻制造而被广泛研究用于宽带太阳光吸收。对此结构来说，在可见光区容易获得宽波段的太阳光吸收，但在红外区很难完全抑制热辐射。此前，已经研究出用于获得宽带太阳光吸收和热发射控制的各种多层薄膜结构。对于太阳能系统，太阳光吸收器的温度影响系统的效率。然而，多层薄膜结构异向介质在太阳光直接照射下的平衡温度尚未得到研究。

研究内容

本文利用基尔霍夫定律和能量守恒定律计算了金属-介质薄膜结构的平衡温度。本研究的动机是寻找在太阳光直接辐射下不经聚集就能产生最高平衡温度的最佳薄膜结构。

本文研究的金属-电介质薄膜结构如 图1所示。在顶部，氧化铝（ Al2O3）电介质薄膜用作抗反射（AR）层，以减少光反射并同时保护表面。钨（W）用作金属膜材料，氧化铝（ Al 2 O 3）用作介电层材料。钨层和氧化铝层形成金属电介质双层，堆叠在一起以形成多层薄膜结构，从而增强太阳光谱上的光吸收。在金属-电介质双层之下是光学厚金属层，其防止光透射到衬底。当N=0时，在厚金属膜表面上只有单个电介质层。我们称这种结构为金属上介电层（DLM）光吸收结构。

图1. 金属-介质薄膜超材料结构

为了找到太阳光直接辐射下的平衡温度，我们需要知道薄膜的热发射率所有辐射方向上的膜结构表面，根据基尔霍夫热辐射定律，表面在给定方向上的发射率等于同一方向上的光学吸收率。所有波长下所有辐射方向的光学吸收率A(θ，λ)可以用传输矩阵法计算。在双层晶胞中，钨金属层厚度选择为5nm，氧化铝介电层厚度选择为50nm。底部的钨层厚度选择为200nm，其足够厚以阻挡感兴趣的光谱范围内的光透射到衬底。本文计算了不同双层数N = 0，1，2，4，6，8的薄膜结构在不同波长和不同入射角下对非偏振光的光吸收率，如图2。结果表明，当入射角小于75°时，单层金属介质膜（DLM）结构在0.3μ m~0.6μm波长范围内的发射率可给予80%以上（图2a），而四层双层结构在0.25μm~1.85μm波长范围内的热发射率可达90%以上（图2d）,总热发射率随双层数的增加而增加。金属结构上的单层介质膜在10μm波长、大入射角下给出的热发射率几乎为零，而六层双层结构在相同光谱范围内给出的热发射率为0.40（图2e）。这表明，具有大量金属-电介质双层的薄膜结构比具有少量双层的双层结构在更宽的光谱带内具有更大的热发射率。

图2.对于具有不同数量的金属-电介质双层的结构，计算热发射率与波长和发射角的关系（a）N = 0，（B）N= 1，（c）N= 2，（d）N= 4，（e）N= 6和（f）N= 8

作者其次针对不同数目的金属-介电质双层，计算了不同双层数的多层薄膜吸收体的平衡温度，如 图3所示。零双层结构的最高平衡温度为604 K，三双层结构可以具有504 K的平衡温度，而六双层结构可以具有479 K的平衡温度。增加双层膜的数目会导致在短波长区域更高的光吸收，但也会增加红外区域的热发射并引起大量的能量损失。因此，平衡温度不能通过增加双层的数目而增加。零双层结构在太阳光直接照射下能产生最高的平衡温度。

图3.金属-电介质多层薄膜异向材料的平衡温度与金属-电介质双层数的关系

对于太阳光吸收器达到高平衡温度，长波长光谱区域中的低热发射率比短波长区域中的高吸收率更关键。由于金属表面上的单层介电层在长波长区域具有比多层结构低的热辐射，并且在短波长区域具有窄吸收带和低光学吸收率，在金属表面上的单个抗反射层可能是用于实现最高平衡温度的最佳结构，因此，本文计算了具有不同抗反射层（AR）厚度的零双层结构的热发射率。 图4给出了不同抗反射层厚度（50nm、70nm、90nm和110nm）下薄膜结构材料的热发射率与波长和发射角的关系曲线。可以看出，增加AR层厚度导致红外光谱区域中的热发射率增加。 图5显示了零双层结构的计算平衡温度与AR层厚度的关系，用于实现高平衡温度的氧化铝的AR层厚度为75nm。

图5.金属结构上的介电层的平衡温度与AR层厚度的关系

图6中绘出了不同金属结构的计算发射率与波长和发射角的关系曲线。在具有六种不同底层金属的所有结构中，具有钨金属层的结构在可见-红外光谱范围内给出了最大发射率，如 图6(a)所示。银表面结构上的介电膜在可见光和红外太阳光谱范围内具有最小的发射率，如 图6(f)所示。

对于厚金属层的六种不同材料，计算的平衡温度与电介质层厚度的关系如 图7所示。可以看出，在厚钨膜上的75nm厚的AR层可以产生614K的最大平衡温度，在底部的六种不同金属的结构中，具有钨金属的结构产生最高的平衡温度，银金属结构在太阳光直接照射下产生最低的平衡温度。

图7.对于具有六种不同金属的金属结构上的介电层，计算的平衡温度与抗反射氧化铝介电层厚度的关系：钨（W）、金（Au）、铬（Cr）、铝（Al）、铜（Cu）和银（Ag）

结论与展望

本文利用基尔霍夫定律研究了金属-介质多层薄膜结构异向介质在太阳光直射下的平衡温度。结果表明，虽然增加金属介质双层薄膜的层数可以得到宽的吸收带和高的吸收比，但增加薄膜层数并不能提高平衡温度，因为增加薄膜层数也会增加红外光谱区的热发射。在太阳光直接照射下，由金属表面单层介电层（DLM）组成的结构可以产生最高的平衡温度。另外，对于厚金属层的研究结果表明，钨是用于产生高平衡温度的吸收金属材料的最佳选择。

以下为广告部分

招聘信息| 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收科研助理和博士后

点击下图查看详细招聘信息！

点/击/上/图/查/看/详/细/招/聘/信/息

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com