哈尔丹模型量子点的完美圆二色性

《Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures》：Perfect circular dichroism of Haldane model quantum dots

宽带完美吸收器研究：采用Ti/Al?O?四层周期结构实现280-3000nm超宽光谱平均吸收率98.9%，通过磁共振、腔共振及表面等离子体共振多模式耦合实现高稳定性。结构具备极化无关性（TM/TE模式吸收率92.4%-93.6%）、抗加工误差能力（70°入射角保持93.6%吸收率），并表现出优异的太阳能捕获效率（AM1.5光照下99.1%）和热发射特性（1500K时99.3%热发射率）。该设计在紫外至中红外波段具有93.3%光热转换效率，为多功能应用提供新方案。

　　

胡小龙|艾敏|陈燕|陈善军|侯杰|曲彦丽

中国湖北省荆州市长江大学物理与光电工程学院，434023

摘要

宽带完美吸收体的应用非常广泛，包括能量收集、太阳能光伏、热发射器甚至隐身技术。这种多功能性源于它们在特定波长范围内表现出完美吸收的独特能力。在本研究中，我们提出了一种由Ti和Al₂O₃制成的四层周期性结构组成的宽带超材料吸收体。利用FDTD方法优化了结构参数，从而在280–3000纳米的波长范围内实现了高达98.9%的平均吸收率。三种不同的共振类型（包括腔体共振CR和表面等离子体共振SPR）的相互作用使得该结构能够实现完美吸收。此外，该吸收体对制造误差具有很高的容忍度，并且与偏振无关。在AM1.5的阳光下，它能够捕获99.1%的太阳能；在1500 K时的热发射率为99.3%。当吸收体在1000 K的温度下运行时，光热转换效率达到了93.3%。值得注意的是，该吸收体在入射角为70°时，在横向磁（TM）模式下保持93.6%的高平均吸收率，在横向电（TE）模式下保持92.4%的吸收率。所设计的吸收体具有多种优异特性，使其成为各种应用的有希望的候选者。

引言

超材料是人工设计和合成的材料，由亚波长单元结构以新颖的复合配置排列而成[1]。通过修改这些结构的物理参数和所用材料的类型，研究人员可以诱导超材料表现出其他天然材料所不具备的物理特性[[2], [3], [4]]。因此，可以设计出具有特定物理特性的超材料，以满足实际需求，从而促进其在完美吸收体[5,6]、太阳能光伏[7,8]、热发射器[9]、隐身技术[[10], [11], [12], [13], [14]]和光学传感器[[15], [16], [17], [18], [19]]等领域的广泛应用。自2008年Landy等人[20]首次提出利用金属-绝缘体-金属（MIM）结构的超材料吸收体概念以来，超材料吸收体的发展已成为能量吸收领域的一个重要增长点。虽然这种吸收体在某些波长下实现了完美吸收，但其有效性仅限于单一频带，这限制了其应用范围。因此，近年来科学家们的研究重点转向扩大吸收带宽，以提高吸收体的性能并拓宽其应用范围[[21], [22], [23]]。

扩大吸收体吸收带宽的最常见方法可以分为两种主要途径。第一种方法是使用多个不同大小的谐振器来创建一个单一的吸收单元[[24], [25], [26], [27]]。第二种方法侧重于在垂直方向上形成具有不同特性和参数的多层结构[28]。Tian等人[23]开发了一种由金基底上的金方形光栅和石墨烯-SiO₂薄膜组成的宽带完美吸收体。这种配置在深紫外到可见光光谱（100–700纳米）范围内实现了超过90%的高吸收率。然而，该结构的吸收性能会随着结构参数的变化而显著下降。为了解决这个问题，Sayed等人[24]设计了一种高效的光学应用宽带完美吸收体，采用了Mn–Si–Mn层状结构，并优化了顶层图案。这种吸收体在可见光谱范围内的吸收率超过了94%。Li等人[29]开发了一种利用Al和SiO₂的宽带完美吸收体。这种吸收体在350–1400纳米的波长范围内实现了超过98%的吸收率。尽管它们的结构具有值得称赞的吸收特性，但吸收范围较窄，无法覆盖整个太阳光谱，这限制了它们的应用。Mehrabi等人[30]设计了一种高效的等离子体太阳能吸收体，由TiN圆盘-方形环结构组合而成，这些结构排列在TiO₂-TiN薄膜层上，在250至3000纳米的波长范围内实现了平均94%的吸收率。虽然这种结构在宽光谱范围内实现了高吸收，但其性能依赖于入射方向。因此，Li等人[31]设计了一种高效的热发射体和完美吸收体，使用了MXene/SiO₂/Ag-NPs多层复合结构，基底为氧化铟锡（ITO）。该吸收体在横向磁（TM）模式下，在入射角为60°时，在500至4000纳米的波长范围内表现出超过95%的吸收率。尽管这种结构具有宽带宽和其他许多有利特性，但它仍然缺乏高平均吸收率。因此，Liang等人[32]提出了一种具有卓越宽带吸收的超材料完美吸收体。这种吸收体由Ti和Si₃N₄制成的四层纳米盘阵列组成。这种吸收体具有图案化的Ti层，形成了混合腔体，诱导了多种共振模式。在280至2500纳米的宽波长范围内，它实现了98.2%的平均吸收效率。然而，尽管它在指定波长范围内具有显著的吸收能力，以及对大角度入射的不敏感性和偏振独立性，但其太阳能吸收性能仍然不尽如人意。Zheng等人[33]提出了一种高效太阳能吸收体，由TiO₂薄膜上的周期性纳米盘阵列组成，能够实现显著的太阳能吸收。然而，这种吸收体的复杂结构严重限制了其实际应用。总之，基于简单结构实现高吸收率、宽带宽、高热发射率、对大入射角度的不敏感性以及对制造误差的容忍度和偏振独立性仍然是一个巨大的挑战。

Ti金属的介电常数的显著虚部表明它具有高损耗介电特性，从而在红外光谱范围内实现宽带吸收[[34], [35], [36]]。Al₂O₃的高折射率和低损耗特性使其在作为完美吸收体的介电层时能够与金属层有效相互作用，从而实现宽带完美吸收。在这里，我们提出了一种由Ti和Al₂O₃组成的四层周期性框架的超宽带完美吸收体。当光源垂直入射时，该吸收体在280–3000纳米的波长范围内可以实现98.9%的平均吸收率。此外，该吸收体与偏振无关，并且对制造误差具有很高的容忍度，在TM模式下在70°的入射角下保持93.6%的吸收率。它在AM1.5阳光下表现出99.1%的吸收率，同时在1000 K时实现了93.3%的高光热转换效率，以及在1500 K时的热发射率为99.3%。

结构设计与结果

所设计吸收体的周期性单元结构的示意图如图1(a)所示。它由涂有Al₂O₃薄膜的Ti基底、位于Al₂O₃薄膜上的Ti环以及一个中央的十字形Ti结构组成。十字形结构也涂有Al₂O₃薄膜，并且相对于圆形结构有所抬高。示例吸收单元的侧视图如图1(b)所示。该单元包括高度为h₁的Ti金属基底和Al₂O₃薄膜

结果与分析

如图2所示，优化后的完美吸收体表现出卓越的吸收性能。在指定波长范围（280–3000纳米）内的吸收率超过94.0%，平均吸收率为98.9%。这一平均吸收率由以下公式（1）得出。此外，在280–3000纳米范围内观察到了六个共振峰，分别为P₁ = 380纳米、P₂ = 450纳米、P₃ = 670纳米、P₄ = 790纳米、P₅ = 1610纳米和P₆ = 2410纳米

完美吸收的物理机制

为了进一步了解宽带完美吸收的原因，对六个共振峰在x-z平面上的磁场强度以及x-y和x-z平面上的电场强度进行了数值计算和分析。

在380纳米的波长下，电场分布如图4和图5所示。这些图表明电场主要集中在中央十字形Ti结构表面和形成的腔体内

结论

总之，所提出的完美吸收体具有多种优点，包括与偏振无关、高热发射率、对大入射角度的不敏感性、宽带高吸收以及在紫外和中红外波长区域的高光热转换效率。在280纳米至3000纳米的波长范围内，该吸收体实现了98.8%的显著平均吸收率。值得注意的是，所设计的超材料吸收体对制造误差具有很高的容忍度

CRediT作者贡献声明

胡小龙：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，验证，软件，方法论，研究，正式分析。艾敏：写作 – 审稿与编辑，正式分析。陈燕：写作 – 审稿与编辑，验证，软件，方法论，研究，资金获取，正式分析。陈善军：写作 – 审稿与编辑，监督，概念化。侯杰：写作 – 审稿与编辑。曲彦丽：正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了湖北省自然科学基金（2024AFB346）的支持。