英文原题：Nanoparticle-on-Mirror Metamaterials for Full-Spectrum Selective Solar Energy Harvesting
通讯作者：黄宝陵副教授，香港科技大学
作者：李洋，林崇佳，李柯桥，赤骋
背景介绍
对光的吸收和利用一直以来是基础研究和产业应用的焦点。其中，具备近100%吸收率、波长选择性、大带宽的光吸收器更是太阳能收集、红外发射器、光子探测器、和红外探测等多类光电子器件的核心技术。但是，自然界中的本征材料往往不具备上述吸收特性。例如，最常见的黑色碳基材料（炭黑，氧化石墨烯，石墨等）等具备极强的宽带（紫外、可见、近中远红外）光吸收能力，但不具备波长选择性；多数金属材料和半导体材料，在特定波段具备一定的吸收能力，但大多数为窄带吸收且带宽难以调节。近年来，学界提出了由人为构造的微纳颗粒依照特定序列排布而成的超构材料。基于结构的超构材料能突破材料本征性能的限制，展示出颠覆性的电磁和光学现象。其中，由于完美的吸收率、波长选择性和带宽可调等优势，基于金属颗粒-介质层-金属镜面（MIM）的超构材料成为了最有效和最被广泛利用的光吸收器。但是，该超构材料的制备过于依赖高精度高成本的微纳加工与光刻技术，使其在太阳能利用等有大规模部署要求的领域难以广泛应用。
图1. MIM超构材料与本文提出的NoM超构材料的对比
文章亮点
为解决上述难题，香港科技大学黄宝陵副教授提出了一种基于导电纳米颗粒-镜面耦合（NoM）结构的高效低成本的新超构材料设计，（如图1所示），相关成果发表在Nano Letters上。与传统的MIM超构材料相比，本文的NoM超构材料主要有以下特点：（1）利用电极化和磁极化的不同尺度效应，采用尺寸接近或小于磁场穿透深度的导电金属或者陶瓷颗粒（约30纳米），以抑制颗粒的磁极化，从而实现覆盖全太阳光谱的阻抗匹配和完美吸收；（2）采用非周期随机排布，纳米颗粒紧密排列并被组装成一层超薄的纳米膜（~120nm），使得自下而上的全溶液法制备成为可能；（3）无中间介质层，纳米颗粒与金属镜面构成了非对称的法布里－珀罗腔（Fabry–Pérot cavity），实现了具有波长选择性的光捕获；（4）带宽可以通过纳米颗粒层和减反层优化设计灵活调节。
图2. NoM超构材料的光学特性与材料兼容性
如图2所示，NoM超构材料展现出了带宽可调的、近乎完美的宽带吸收。同时，该NoM超构材料兼容氮化钛、钨、铬、铁、镍、钛、钽、钒、钯、铂、铜等多种纳米颗粒，为其广泛应用提供了保证。
图3. NoM超构材料的制备
如图3所示，NoM超材料的制备过程全部由溶液法（旋涂或喷涂工艺）完成。获得了94%的太阳能吸收率和2%的红外吸收率（发射率），展现出优异的波长选择性，抑制了辐射热损失，实现了极高的太阳能光热效率。
总结/展望
研究团队提出了一种全新的纳米颗粒-镜面耦合超构材料，打破了传统的基于周期结构的超构材料设计，为超构材料的设计提供了新思路，为全光谱太阳能的选择性利用提供了一种行之有效的、高性价比的、极具潜力的新途径。
相关论文发表在Nano Letters上，香港科技大学博士后研究员李洋为文章的第一作者，博士后研究员林崇佳为共同第一作者，黄宝陵教授为通讯作者。
通讯作者信息：
黄宝陵 副教授
黄宝陵，香港科技大学机械与航空航天工程系副教授。分别于1999年和2001年在清华大学获得学士和硕士学位。2004年赴美国密歇根大学安娜堡分校深造，并于2008年获得博士学位。此后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究。于2010年起就职于香港科技大学。研究领域包括光热转换，纳米传热学，能源转换与存储等，在相关领域发表SCI论文100余篇，包括以通讯作者发表在Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Nano Letters, Physical Review B等。
主页：https://mae.hkust.edu.hk/en/people/faculty/detail/huang-baoling
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Nano Lett. 2022, ASAP
Publication Date: June 16, 2022
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00322
Copyright © 2022 American Chemical Society
