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▌R1 在黑金属吸收体光谱研究中的应用
对一种可增强光热利用的基于银纳米片聚合物的黑金属吸收体的角分辨光谱表征


   角分辨光谱      表面等离子体      黑金属吸收体      银纳米片      光热利用      全角度抗反射   

【概述】可高效率光热转换的等离子吸收体是当下太阳能光热利用与抗反射等诸多工业应用的研究热点。近期,东南大学张彤与张晓阳教授课题组在 JMCC 杂志发表了一篇题为《Silver Nanoplate Aggregations based Multifunctional Black Metal Absorber for Localization, Photothermic Harnessing Enhancement and Omnidirectional Light Antireflection》的文章。
基于银纳米片的等离子吸收体
图1,化学合成和电泳沉积方法制备的基于银纳米片的等离子吸收体

文章报道了一种化学合成和电泳沉积的方法,此方法可高效地在复杂形貌表面制备由银纳米片(SNPAs)构成的等离子吸收体。得益于独特的光学性质,这种材料在太阳能光热利用、全角度抗反射、海水淡化、高效 SERS 衬底、高效杀菌与催化、隐身与伪装等场景得到应用。同时,不同于当下流行的形态工程(Morphological Engineering),该制备方法简单、高效、不依赖模板,从而具有实际的产业化前途。
      
      【样品 & 测试】作者采用化学合成、电泳沉积的方法制备 黑金属吸收体(BMAs)。如图1,首先利用 AgNO3、柠檬酸三纳、H2O2 和 NaBH4 合成银纳米片种子。再混入肼水合物和 AgNO3 水溶液,获得银纳米片溶液。离心提取银纳米片并溶入酒精,获得 SNPAs 酒精溶液。最后,将阴极的 ITO 玻璃和阳极的导电基底浸入所制备的溶液,电泳后在阳极表面形成一层均匀的银纳米片聚合物。
银纳米片聚合物光学、光热和亲疏水特性的对比
图2,银纳米片聚合物光学、光热和亲疏水特性的对比

需要注意的是,为增强表面等离子体的抗反射效果,还需要在 SNPAs 表面旋涂紫外固化胶,曝光并固化。上述制备方法实际上是由传统的银纳米片单分散制备方法改进而来,只是化学成分的浓度增加了上百倍。有趣的是,在高浓度和低浓度环境下金属晶体生长的形貌完全不同。相比于传统的单分散银纳米片,这种新型的各向异性等离子体纳米结构具有巨大的吸收截面,能捕获绝大部分照射于其表面的光能。同时,这种由 SNPAs 聚集而成的粗糙表面布满了紧密相连而随机分布的“hot spots”,进一步增强了材料的光吸收能力。
      
      文中的银纳米片聚合物具有诸多新奇的特点。图2a 为 ITO 裸片及黑色的基于银纳米片聚合物的 BMA 样品。在经 457nm 低功率 LED 冷光源长时间照射后,使用热成像仪观测发现,BMA 样品的温度高于 ITO 裸片(图2b),展示了高效的光热转换能力。相比于玻璃和电泳沉积的金纳米球,BMA 样品还具有超亲水的特点(图2c-d)。因此,在光照下 SNPAs 材料可更快速地蒸发表面浸润的水,非常适用于海水淡化应用。
电泳前后银纳米片聚合物的角分辨反射光谱
图3,电泳前后银纳米片聚合物的角分辨反射光谱

为研究银纳米片聚合物的吸光特性和全角度抗反射(Omnidirectional Antireflection)特性,作者采用了角分辨光谱仪对样品在不同角度下的反射率进行了光谱表征(图3a)。如 图3g 所示,电泳沉积后的样品 B 位置的角分辨反射光谱表明,在所有角度下和 400~1100nm 光谱范围内,黑金属吸收体的反射率皆低于 1%。如 图3h 所示,在紫外固化胶保护后,这种黑金属吸收体的反射率还将进一步降低至 0.4%。这些特点揭示了这种基于银纳米片聚合物的黑金属吸收体优异的全角度抗反射特性。
      
      【总结】本文报道了一种基于化学合成和电泳沉积的银纳米片聚合物的制备方法,并从合成机理、光学特性、SERS 增强特性、光热特性和全角度抗反射特性等诸多角度展开了系统化的研究。得益于这种新型黑金属吸收体优异的光学、光热特性及低成本的合成方法,其在太阳能光热利用、全角度抗反射、海水淡化、高效 SERS 衬底、高效杀菌与催化、隐身与伪装等领域都具有光明的产业化前景。
光纤光谱仪和角分辨光谱产品文献标注
图4,文章对复享光学光纤光谱仪和角分辨光谱系统产品的标注

由复享光学提供的黑金属吸收体光谱表征解决方案(包括 PG2000-Pro光纤光谱仪R1角分辨光谱系统),对银纳米片聚合物样品的吸收截面光谱测量、全角度抗反射光谱测量都起到了至关重要的作用。

      【参考文献】
       Zhang, Xiao-Yang, et al. "Silver Nanoplate Aggregations based Multifunctional Black Metal Absorber for Localization, Photothermic Harnessing Enhancement and Omnidirectional Light Antireflection." Journal of Materials Chemistry C (2017).  Link 
       东南大学显示技术研究中心张彤教授课题组
      
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