【48812】飞秒激光刻蚀技能将一般金属变成“完美”的太阳光能吸收器

  近来，来自美国纽约罗彻斯特大学光学研讨所的郭春雷教授联合埃尔卡巴什教授，在世界顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》宣布了题为“Spectral absorption control of femtosecond laser-treated metals and application in solar-thermal devices”的高水平论文。来自罗彻斯特大学光学研讨所的Sohail A. Jalil博士和Bo Lai博士为本文的一起榜首作者，郭春雷教授和教授为本文的通讯作者。郭春雷研讨团队在等离激元杂交模型的指导下，运用飞秒激光加工技能操控外表纳米结构的形状，以此来完成对光谱吸收的更多操控，并初次证明了能够将飞秒激光诱导的金属外表用于高温挑选性太阳能吸收器（SSA）。该研讨现在已得到了Bill & Melinda Gates 基金会、美国陆军研讨中心以及国家科学基金会的支撑与赞助。

  飞秒激光直接加工技能是一种经济高效，无掩模且可扩展的制作技能，已大规模的运用在有用修正资料的光、电、机械和冲突学特性。飞秒激光脉冲加工发生的随机结构能够表现出资料功用化的抱负特性，例如：完美的光吸收、超疏水性和超亲水性等，在生物医学、环境和动力范畴有许多潜在运用。可是，因为发生的外表结构的巨细、几许形状和密度的具有随机性，难以准确操控外表结构的性质，终究在实践设备中运用经飞秒激光诱导的外表依然具有很大的挑战性。

  为了供给对飞秒激光诱导的外表结构的更多操控，曩昔的研讨大多散布在在增强周期性微结构的均匀性上，已有的研讨标明，一维飞秒激光诱导的周期性外表结构（fs-LIPSSs）具有可在多种资料上完成的亚波长周期性，许多研讨小组现已采用了不同的技能来处理fs-LIPSSs的空间均匀性问题，例如：钛基资料上的正反馈机制和负反馈机制、化学辅佐的飞秒激光诱导等。尽管这些研讨标明飞秒激光加工具有发生更规矩的外表特征的才能，但没有证明具有准确规划外表特性的才能。美国罗彻斯特大学的郭春雷教授团队聚集飞秒激光加工范畴，对怎么更准确的操控金属外表的特性及其运用展开了一系列的研讨。

  郭春雷课题组经过等离振子共振尺度效应和等离激元杂交模型来操控外表纳米结构的描摹，进一步操控经飞秒激光诱导的金属外表的光学性质。研讨人员运用飞秒激光脉冲蚀刻具有纳米级结构的金属外表，经过细心修正飞秒激光加工参数来调理随机散布的纳米结构的尺度和密度，然后改动经飞秒激光诱导的外表结构的光吸收才能。使该外表挑选性地仅吸收太阳光波长的光，而不吸收其他波长的光。该外表不只增强了从阳光中吸收能量的才能，并且还减少了其他波长的热耗散，其实便是“初次制作出完美的金属太阳能吸收器”。

  为了拓宽这种经过飞秒激光诱导来操控金属外表的光吸收才能的运用，研讨人员还经过试验证明了该技能在铝、铜、钢和钨等金属上的光吸收才能调控，提出了挑选性太阳能吸收器（SSA）和宽带吸收器（BBA），并初次证明了可将飞秒激光诱导的外表用作高温挑选性太阳能吸收器，根据钨的挑选性太阳能吸收器（W-SSA）具有最高的太阳能吸收功率，表现出作为高温太阳能接收器的超卓功能。与未经过处理的钨（一般用作本征挑选性光吸收剂）比较，W-SSA与太阳能热电发电（TEG）设备集成后，其热发电功率提高了130％。

  图1 经飞秒激光诱导的金属外表的吸收光谱规模。 （a）、（b）别离表明运用低脉冲数和较低通量、高脉冲数和较高通量时，近场耦合导致的等离子体共振的移动，不难发现，低脉冲数和较低通量所发生的外表纳米结构的尺度较小，密度也小于运用高脉冲数和较高通量构成的外表纳米结构。（c）核算出的单个钨纳米粒子的吸收与粒径的联系，突显了尺度效应与测得的等离子体共振宽度的相关性。（d）四个半径为100 nm的杂交钨纳米颗粒的核算吸光度与纳米颗粒之间的空隙间隔的联系。较小的空隙导致更强的杂交并使等离激元共振峰红移至更高的波长。尺度和杂交效应都扩展了随机散布的纳米外表结构的共振。

  图2 运用飞秒激光诱导的金属外表的宽带吸收器（BBA）及挑选性太阳能吸收器（SSA）。（a）~（c）别离表明飞秒激光加工金属铝（Al）、不锈钢、铜（Cu） 后取得的SSA和BBA的吸收和发射光谱。其间， Cu-SSA表现出真实的光谱挑选性。（d）和（e）别离是Cu-SSA和Cu-BBA的SEM图画。插图显现了Cu-SSA和Cu-BBA的缩小视图。 （f）和（g）别离是Cu-SSA和Cu-BBA外表结构尺度散布的直方图。

  图3 运用飞秒激光诱导的钨外表的宽带吸收器（BBA）及挑选性太阳能吸收器（SSA）。 （a）在200C下测得的钨光谱挑选性吸收器和宽带吸收器的吸收/发射光谱。 （b） 根据钨的挑选性太阳能吸收器（W-SSA）的SEM图画。插图显现了纳米结构掩盖的fs-LIPSSs的缩小视图。 （c）W-BBA外表的SEM图画。 （d）中示出了W-BBA外表的扩大的SEM图画。