飛秒雷射刻蝕技術將普通金屬變成「完美」的太陽光能吸收器

飛秒雷射刻蝕技術將普通金屬變成「完美」的太陽光能吸收器

 

近日，來自美國紐約羅徹斯特大學光學研究所的郭春雷教授聯合穆罕默德•埃爾卡巴什教授，在國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》發表了題為「Spectral absorption control of femtosecond laser-treated metals and application in solar-thermal devices」的高水平論文。來自羅徹斯特大學光學研究所的Sohail A. Jalil博士和Bo Lai博士為本文的共同第一作者，郭春雷教授和穆罕默德教授為本文的通訊作者。郭春雷研究團隊在等離激元雜交模型的指導下，利用飛秒雷射加工技術控制表面納米結構的形態，從而實現對光譜吸收的更多控制，並首次證明了可以將飛秒雷射誘導的金屬表面用於高溫選擇性太陽能吸收器（SSA）。該研究目前已得到了Bill & Melinda Gates 基金會、美國陸軍研究中心以及國家科學基金會的支持與資助。

飛秒雷射直接加工技術是一種經濟高效，無掩模且可擴展的製造技術，已廣泛用於有效修改材料的光、電、機械和摩擦學特性。飛秒雷射脈衝加工產生的隨機結構可以表現出材料功能化的理想特性，例如：完美的光吸收、超疏水性和超親水性等，在生物醫學、環境和能源領域有許多潛在應用。但是，由於產生的表面結構的大小、幾何形狀和密度的具有隨機性，難以精確控制表面結構的性質，最終在實際設備中運用經飛秒雷射誘導的表面仍然具有很大的挑戰性。

為了提供對飛秒雷射誘導的表面結構的更多控制，過去的研究主要集中在增強周期性微結構的均勻性上，已有的研究表明，一維飛秒雷射誘導的周期性表面結構（fs-LIPSSs）具有可在多種材料上實現的亞波長周期性，許多研究小組已經採用了不同的技術來解決fs-LIPSSs的空間均勻性問題，例如：鈦基材料上的正反饋機制和負反饋機制、化學輔助的飛秒雷射誘導等。雖然這些研究表明飛秒雷射加工具有產生更規則的表面特徵的能力，但沒有證明具有精確設計表面特性的能力。美國羅徹斯特大學的郭春雷教授團隊聚焦飛秒雷射加工領域，對如何更精確的控制金屬表面的特性及其應用展開了一系列的研究。

郭春雷課題組通過等離振子共振尺寸效應和等離激元雜交模型來控制表面納米結構的形貌，進一步控制經飛秒雷射誘導的金屬表面的光學性質。研究人員利用飛秒雷射脈衝蝕刻具有納米級結構的金屬表面，通過修改飛秒雷射加工參數來調節隨機分布的納米結構的尺寸和密度，從而改變經飛秒雷射誘導的表面結構的光吸收能力。使該表面選擇性地僅吸收太陽光波長的光，而不吸收其他波長的光。該表面不僅增強了從陽光中吸收能量的能力，而且還減少了其他波長的熱耗散，實際上是「首次製造出完美的金屬太陽能吸收器」。

為了拓展這種通過飛秒雷射誘導來控制金屬表面的光吸收能力的應用，研究人員還通過實驗證明了該技術在鋁、銅、鋼和鎢等金屬上的光吸收能力調控，提出了選擇性太陽能吸收器（SSA）和寬帶吸收器（BBA），並首次證明了可將飛秒雷射誘導的表面用作高溫選擇性太陽能吸收器，基於鎢的選擇性太陽能吸收器（W-SSA）具有最高的太陽能吸收效率，表現出作為高溫太陽能接收器的出色性能。與未經過處理的鎢（通常用作本徵選擇性光吸收劑）相比，W-SSA與太陽能熱電發電（TEG）裝置集成後，其熱發電效率提高了130％。

圖1 經飛秒雷射誘導的金屬表面的吸收光譜範圍。 （a）、（b）分別表示使用低脈衝數和較低通量、高脈衝數和較高通量時，近場耦合導致的等離子體共振的移動，可以發現，低脈衝數和較低通量所產生的表面納米結構的尺寸較小，密度也小於使用高脈衝數和較高通量形成的表面納米結構。（c）計算出的單個鎢納米粒子的吸收與粒徑的關係，突顯了尺寸效應與測得的等離子體共振寬度的相關性。（d）四個半徑為100 nm的雜交鎢納米顆粒的計算吸光度與納米顆粒之間的間隙距離的關係。較小的間隙導致更強的雜交並使等離激元共振峰紅移至更高的波長。尺寸和雜交效應都擴大了隨機分布的納米表面結構的共振。

圖2 使用飛秒雷射誘導的金屬表面的寬帶吸收器（BBA）及選擇性太陽能吸收器（SSA）。（a）~（c）分別表示飛秒雷射加工金屬鋁（Al）、不鏽鋼、銅（Cu） 後獲得的SSA和BBA的吸收和發射光譜。其中， Cu-SSA表現出真正的光譜選擇性。（d）和（e）分別是Cu-SSA和Cu-BBA的SEM圖像。插圖顯示了Cu-SSA和Cu-BBA的縮小視圖。 （f）和（g）分別是Cu-SSA和Cu-BBA表面結構尺寸分布的直方圖。

圖3 使用飛秒雷射誘導的鎢表面的寬帶吸收器（BBA）及選擇性太陽能吸收器（SSA）。 （a）在200°C下測得的鎢光譜選擇性吸收器和寬帶吸收器的吸收/發射光譜。 （b） 基於鎢的選擇性太陽能吸收器（W-SSA）的SEM圖像。插圖顯示了納米結構覆蓋的fs-LIPSSs的縮小視圖。 （c）W-BBA表面的SEM圖像。 （d）中示出了W-BBA表面的放大的SEM圖像。

（來源：科學網 劉揚）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0242-y