基于氮化钛和二氧化钛的可见近红外超宽带吸收器*摘要设计了一种基于耐火材料氮化钛(TN)和二氧化钛(TO2)的光栅型超宽带太阳能吸收器，采用有限元方法研究了其吸收特性，分析了其结构参数、工作波长和入射角度对其吸收性能的影响。结果表明：通过调整结构参数可以有效地控制其吸收特性.在500-2000m的波长范围，在入射角度为0°~75范围内，吸收效率可以达到80%以上，表现出了超宽带吸收的特性。本文设计的吸收器在热光伏等方面有潜在的应用前景。关键词吸收器：光栅：磁激元：可见光：近红外Visible and near-infrared ultra-broadband absorber based on titaniumnitride and titanium dioxideAbstract A grating type ultra wide band solar absorber based on the refractory titanium nitride (TiN)and titaniumdioxide (TiO2)was designed.The absorption characteristics of the absorber were studied by using the finiteelement method,and the effects of its structural parameters,working wavelength and incident angle on itsabsorption performance were analyzed.The results show that the absorption characteristics can be effectivelycontrolled by adjusting the structural parameters.In the wavelength range of 500-2000 nm and the incident anglerange of 0~75,the absorption efficiency can reach more than 80%,showing the characteristics ofultra-broadband absorption.The absorber designed in this paper has a potential application prospect inthermophotovoltaic and other aspectsKeywords:Absorber,Grating;Magnetic polariton;Visible light;Near-infrared1.引言电磁吸收器是一种能有效吸收特定波长的电磁波并将其转化为其它形式的能量的装置山，由不同的介质或谐振器组成，其吸收性能主要取决于其结构、材料和吸收机理。它们在太阳能收集②]、传感)、探测4和电磁隐身例等方面有潜在的应用前景。电磁吸收器通常通过激发复杂结构的多种响应来吸收特定波长的电磁波，结构的复杂程度与加工工艺息息相关。典型的电磁吸收器的结构一般基于“金属-绝缘体-金属”(MM)三层结构，通常在结构表面分布着周期性排列的金属微结构谐振单元，并通过绝缘层与底部金属平板隔开。在MM结构中，可以采用不同的金属结构，如光栅型[6、薄膜型门、圆盘型]、柱型例等。通过对结构几何参数的优化，这些吸收器可以在多个波段具有宽带吸收的特性。同时，材料的固有吸收能力在很大程度上影响吸收器的吸收效率。应用于典型的吸收器的吸波材料有金属材料0-山、半导体材料21)、新型材料41和电介质材料61刀等，这些材料利用自身的光学特性能使吸收器对入射电磁波得到最大程度地损耗吸收。为了使电磁吸收器产生更强的吸收效应，多种吸收机制相继被提出，典型的物理机制是磁激元(MPs)共振)、表面等离子体(SPP)共振、法布里-帕罗腔(FP)共振20和导模共振2]等。随着微纳结构加工技术的不断发展与完善，电磁吸收器得到了广泛的研究222]。在可见光至近红外线波段，采用传统材料构造的吸收器显示出了优异的吸收特性。2011年，Aydi等人设计了一种基于银材料的吸收器)，在400-700m上产生偏振无关的吸收效果，平均吸收率为71%。2012年，Sondergaard等人设计一种金凹槽阵列的吸收器24，在450-850nm范围内达到96%的平均吸收。2014年，Cao等人设计了一种由相变材料(Ge2Sb2Tes)组成的吸收器2]，该吸收器在80度广角范围内表现出偏振无关性。2017年，Zhou等人设计了一种金纳米粒子可调宽带吸收器2，在可见光和红外光波段表现出90%的吸收率。2018年，Li等人设计了一种基于Ti-SO2的超宽带吸收器2)，基于等离子共振激发和法布里-帕罗腔共振效应，得到了平均吸收率为97%的完美吸收，工作波长范围为3541066nm。2019年，Liu等人设计了一种基于Ti和Si的宽带太阳能吸收器28劉，在5004000m的光谱范围内产生了高达94.7%的平均吸收。虽然上述基于传统金属材料的吸收器都获得了高吸收，但都存在难以应用于热光伏等高温环境领域的问题，因此研究耐高温材料在吸收器中的应用是十分必要的。氮化钛(TN)是一种新型耐火材料，其熔点高达2930℃，并且具有良好的高温耐久性2，在可见光至近红外线波段范围内能激发表面等离子体共振3。二氧化钛(TO2)也是一种新型耐火材料，其熔点高达1870℃，在可见光至近红外线波段范围内表现为普通的电介质山。2014年，Li等人通过实验验证了TN在高温和激光照射条件下具有很好的热稳定性和化学稳定性2.2015年，Wang等人设计了一种基于TiN纳米盘阵列的吸收器3]，结果显示在400-700nm内电磁波被完全吸收。2017年，Catellani等人解释了TiN在可见光范围内的主要特征，并讨论了实验提出的TN在不同介电材料上等离激元的形成和稳定性34.2018年，Huo等人提出了一种基于TN纳米锥阵列的宽带吸收器]，实现了高达99.6%的平均宽带吸收，并在波长为400-1500m的范围内表现出与偏振无关的完美吸收。上述吸收器都应用了TN耐火材料，虽然解决了吸收器在高温环境中的应用问题，但吸收带宽都受到了很大的限制，不能全面覆盖太阳能辐射光谱。为了更好的应用于太阳能收集领域，实现与太阳光谱带宽相近的带宽是必要的。本文拟设计一种基于TN和TO2的可见近红外超宽带吸收器。利用有限元法，分析了其结构参数、工作波长和入射角度对其吸收性能的影响。通过调整结构参数控制其吸收特性，实现超宽带吸收。2.结构模型及计算方法本文设计的吸收器由在水平方向呈周期性排列的金字塔形单元结构的光栅组成，图1为其单元结构示意图。单元结构自下而上由L个宽度尺寸呈线性递减的TNTO2复合层构成，最顶层中的TN采用了半球结构。该结构的制作方法可参照文献[36]采用的方法。如图1所示，复合层顶层的宽度为W1,底层宽度为W2。除最顶层外，复合层的上层是高度为1的TiN层。复合层的下层是高度为2的TiO2层。单元结构最底层为厚度为d的钨(W)板，用来防