Nature communications：纳米超材料助推太阳能电池产业革命

将辐射热转化为电能的电池，也称为热光伏电池，它的效率预计比太阳能电池高两倍以上，并且产生电流不需要阳光直接照射，而是从周围环境中收集红外辐射形式的热。在回收利用发动机辐射的热量，与燃烧器结合按需发电等方面，热光伏电池具有十分广泛的前景。

近日，澳洲国立大学与加州大学伯克利分校的研究者们最近发现了一种具有全新性能的新型超材料。它由微小的纳米级结构黄金和二氟化镁制成，能够向特定方向辐射热能，也能通过改变几何形状释放出特定范围内的辐射光，而常规材料只能以全方位、广泛红外光波的形式发热。因此用这种材料制作匹配热光伏电池的发射器极为理想。

Kruk博士在预见到新的超材料之后开始了这一项目。而伯克利的研究团队则利用他们在此类材料制备方面丰富的经验和最前沿的技术来帮助Kruk博士的研究。这种超材料的单一组成结构非常小，我们可以在人头发丝的横断面上放置超过12000个这样的结构。研究人员说，如果发射器和接收器的间距能达到纳米级，那么用这种超材料造出的热光伏电池的效率还能进一步提高。在此构造中，辐射热传递的效率比传统材料要高10倍。

这种超材料能够如此突出的关键因素是它全新的物理特性，被称为“磁双曲色散”，色散可以描述形容光与材料间的相互作用，并且能够通过可视化三维表面来表示电磁辐射是如何在三维结构上进行传播的，对于天然材料来说，比如玻璃或者水晶，它们的色散表面具有简单的形式，表现为球形或者椭圆形。该材料的磁性呈双曲线形分布，表示电磁辐射以不同方向传播。截然不同的辐射形式，是由于材料与光磁元件之间有着极强的相互作用。

这一成果有望驱动高效热光伏太阳能电池的发展，推动太阳能电池产业的革命。

图文导读：

为了观察到磁双曲线色散，研究人员使用了多层渔网结构超材料，也就是具有负折射率的堆积型超材料，此结构的草图及扫描电子显微镜观察图像如Fig.1， 在近红外光谱区域，该超材料的光透率很高，在1320nm波长的光透过时，光透率最高达到了42%，如图Fig.1b。研究人员还在光线正入射时，通过光谱和空间分辨干涉测量了渔网结构的折射率，如Fig.1c所示，该结构的折射率一直下降，并且在1410nm波长的光线入射时，折射率开始变成了负值。

Figure 1| 多层渔网结构超材料 (a)结构草图。二氟化镁和金层厚度分别为45纳米，30纳米。Si₃N₄薄膜厚度50纳米。晶格大小750nm*750nm。孔隙尺寸260nm*530nm (b)实验测量的渔网结构超材料的光透率.。右上角插图是该结构的SEM图像 (c)在光线正入射时渔网结构超材料的等效折射率。 在bc图中， 红色的标线是椭圆色散区域对应的波长, 绿色标线是光线进行拓扑转型对应的波长, 蓝色标线代表双曲色散对应波长。

此研究中色散角的测量如图Fig.2，其中使用了偏振光源以及在x方向上极化电场，光线经过物镜之后，对焦光束在Kx轴和Ky轴上产生TE极化，因此，Fig.2.为后聚焦面图像，其中包含了样品在Kx和Ky轴上TE极化TM极化的光感应数据。

Figure 2| 实验结果 (a)-(c)为入射光，(d)-(f)反射振幅，(g)-(i)和(j)-(l)三种不同波长光的入射相位和反射相位。(a,d,g,j)1310纳米。(c,f,i,l)1530纳米。所有测量的入射角都在0到60°之间，并且通过根据空气中的波矢量Kair标准化后的波向量分量Kx和Ky绘制。水平轴对应TM极化，垂直轴对应TE极化。入射幅度和相位测量的方孔表明了物镜的数值孔径受支撑硅片的窗口大小限制。

Figure 3| 从椭圆色散过渡到双曲色散的实验观察 (a)TE的几何草图表明了样品间的相对方向，波向量k和电场E(b-d)描述了波长分别为1310，1450，1530纳米的光TE极化后的色散轮廓。 (e)为TM的几何草图，(f-h)描述了波长分别为1310，1450，1530纳米的光TM极化后的色散轮廓。图像中的小点表示实验数据，线条对应分析结果，灰色圆圈对应光在真空中的色散轮廓。

Figure 4| 磁双曲型超材料的热辐射。(a)通过黑体光谱标准化的热辐射光谱(辐射系数)。辐射未极化的部分用灰色表示，总辐射率在未极化部分上面用橙色表明。橙线表示总辐射率的理论计算值，(b-d)实验测得的波长分别为1310，1450，1530纳米的光的热辐射方向，(e-g)理论计算得到的这三个波长的光的热辐射方向。图(c-g)和图b的坐标系一致。

以上研究成果近期发表在Nature communications上，论文链接：Magnetic hyperbolic optical metamaterials

感谢材料人编辑部尉谷雨提供素材