Nature communications：納米超材料助推太陽能電池產業革命

將輻射熱轉化為電能的電池，也稱為熱光伏電池，它的效率預計比太陽能電池高兩倍以上，并且產生電流不需要陽光直接照射，而是從周圍環境中收集紅外輻射形式的熱。在回收利用發動機輻射的熱量，與燃燒器結合按需發電等方面，熱光伏電池具有十分廣泛的前景。

近日，澳洲國立大學與加州大學伯克利分校的研究者們最近發現了一種具有全新性能的新型超材料。它由微小的納米級結構黃金和二氟化鎂制成，能夠向特定方向輻射熱能，也能通過改變幾何形狀釋放出特定范圍內的輻射光，而常規材料只能以全方位、廣泛紅外光波的形式發熱。因此用這種材料制作匹配熱光伏電池的發射器極為理想。

Kruk博士在預見到新的超材料之后開始了這一項目。而伯克利的研究團隊則利用他們在此類材料制備方面豐富的經驗和最前沿的技術來幫助Kruk博士的研究。這種超材料的單一組成結構非常小，我們可以在人頭發絲的橫斷面上放置超過12000個這樣的結構。研究人員說，如果發射器和接收器的間距能達到納米級，那么用這種超材料造出的熱光伏電池的效率還能進一步提高。在此構造中，輻射熱傳遞的效率比傳統材料要高10倍。

這種超材料能夠如此突出的關鍵因素是它全新的物理特性，被稱為“磁雙曲色散”，色散可以描述形容光與材料間的相互作用，并且能夠通過可視化三維表面來表示電磁輻射是如何在三維結構上進行傳播的，對于天然材料來說，比如玻璃或者水晶，它們的色散表面具有簡單的形式，表現為球形或者橢圓形。該材料的磁性呈雙曲線形分布，表示電磁輻射以不同方向傳播。截然不同的輻射形式，是由于材料與光磁元件之間有著極強的相互作用。

這一成果有望驅動高效熱光伏太陽能電池的發展，推動太陽能電池產業的革命。

圖文導讀：

為了觀察到磁雙曲線色散，研究人員使用了多層漁網結構超材料，也就是具有負折射率的堆積型超材料，此結構的草圖及掃描電子顯微鏡觀察圖像如Fig.1， 在近紅外光譜區域，該超材料的光透率很高，在1320nm波長的光透過時，光透率最高達到了42%，如圖Fig.1b。研究人員還在光線正入射時，通過光譜和空間分辨干涉測量了漁網結構的折射率，如Fig.1c所示，該結構的折射率一直下降，并且在1410nm波長的光線入射時，折射率開始變成了負值。

Figure 1| 多層漁網結構超材料 (a)結構草圖。二氟化鎂和金層厚度分別為45納米，30納米。Si₃N₄薄膜厚度50納米。晶格大小750nm*750nm。孔隙尺寸260nm*530nm (b)實驗測量的漁網結構超材料的光透率.。右上角插圖是該結構的SEM圖像 (c)在光線正入射時漁網結構超材料的等效折射率。 在bc圖中， 紅色的標線是橢圓色散區域對應的波長, 綠色標線是光線進行拓撲轉型對應的波長, 藍色標線代表雙曲色散對應波長。

此研究中色散角的測量如圖Fig.2，其中使用了偏振光源以及在x方向上極化電場，光線經過物鏡之后，對焦光束在Kx軸和Ky軸上產生TE極化，因此，Fig.2.為后聚焦面圖像，其中包含了樣品在Kx和Ky軸上TE極化TM極化的光感應數據。

Figure 2| 實驗結果 (a)-(c)為入射光，(d)-(f)反射振幅，(g)-(i)和(j)-(l)三種不同波長光的入射相位和反射相位。(a,d,g,j)1310納米。(c,f,i,l)1530納米。所有測量的入射角都在0到60°之間，并且通過根據空氣中的波矢量Kair標準化后的波向量分量Kx和Ky繪制。水平軸對應TM極化，垂直軸對應TE極化。入射幅度和相位測量的方孔表明了物鏡的數值孔徑受支撐硅片的窗口大小限制。

Figure 3| 從橢圓色散過渡到雙曲色散的實驗觀察 (a)TE的幾何草圖表明了樣品間的相對方向，波向量k和電場E(b-d)描述了波長分別為1310，1450，1530納米的光TE極化后的色散輪廓。 (e)為TM的幾何草圖，(f-h)描述了波長分別為1310，1450，1530納米的光TM極化后的色散輪廓。圖像中的小點表示實驗數據，線條對應分析結果，灰色圓圈對應光在真空中的色散輪廓。

Figure 4| 磁雙曲型超材料的熱輻射。(a)通過黑體光譜標準化的熱輻射光譜(輻射系數)。輻射未極化的部分用灰色表示，總輻射率在未極化部分上面用橙色表明。橙線表示總輻射率的理論計算值，(b-d)實驗測得的波長分別為1310，1450，1530納米的光的熱輻射方向，(e-g)理論計算得到的這三個波長的光的熱輻射方向。圖(c-g)和圖b的坐標系一致。

以上研究成果近期發表在Nature communications上，論文鏈接：Magnetic hyperbolic optical metamaterials

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材