所提出的MIM纳米立方体示意图如图1所示。坐标轴原点位于纳米立方体的几何中心点。纳米立方体的长度和宽度均为L= 60 nm，顶部Au纳米立方体、中间SiO2纳米立方体和底部Au纳米立方体的厚度t1= t2= t3= 20 nm。
图1 金属-绝缘体-金属（Au-SiO2-Au）纳米立方体示意图。
为了研究尺寸参数如何影响整体吸收和散射特性，我们通过改变Au-SiO2-Au纳米立方体的几何参数进行了参数研究。如图2所示，计算了边长分别为60，45和30nm时三个入射方向的吸收和散射效率。
图2 具有不同边长的Au-SiO2-Au立方体在三个入射方向上的吸收效率：(a) x入射y偏振；(b) x入射z偏振；(c) z入射x偏振。不同边长的Au-SiO2-Au立方体在三个入射方向上的散射效率：(d) x入射y偏振；(e) x入射z偏振；(f) z入射x偏振。边长分别为L= 60、45和30 nm，t1= t2= t3。
图2(a)、(b)和(c)显示了三种立方体边长在不同入射方向上的吸收效率。可以发现，三个入射方向的吸收效率都随着立方体尺寸的增大而增加。在大部分波长范围内，L= 60 nm的吸收效率最高。同时，随着立方体尺寸的增大，吸收峰也发生了红移。图2(d)、(e)和(f)分别显示了不同边长在三个入射方向上的散射效率。散射峰的位置也随着立方体尺寸的增大而发生红移，振幅显著增加。
图3 不同Au层厚度时Au-SiO2-Au立方体在三个方向的吸收效率：(a) x入射y偏振；(b) x入射z偏振；(c) z入射x偏振。
我们还改变了立方体的结构形式，例如改变上下Au层的厚度，其吸收效率如图3所示。结果表明，通过改变Au层厚度可以同时改变吸收峰的位置和大小。因此，通过改变颗粒大小和结构，可灵活调整MIM纳米立方体的峰。
图4 (a)带倒角的Au-SiO2-Au纳米立方体示意图；(b)MIM纳米立方体边缘有无倒角对吸收效率的影响。
考虑到在实际制备纳米颗粒的过程中，纳米立方体粒颗粒的边缘可能无法达到理想的锐利度，因此在比较研究中对纳米立方体的边缘进行了倒角处理。以L= 60 nm、t1= t2= t3= 20 nm的颗粒为例，在所有直角边缘都使用半径为r= 1 nm的倒角，如图4(a)所示。从图4(b)可以看出，倒角的存在使主吸收峰的位置发生了蓝移，并使三个入射方向上的肩型吸收峰消失，从而缩小了光谱吸收范围。
图5 (a)不同纳米颗粒的形状和尺寸参数；(b)五种纳米颗粒（Au纳米球、Au纳米圆柱、Au纳米立方体、Au-SiO2-Au纳米圆柱和Au-SiO2-Au纳米立方体）的吸收效率的比较。
为了证明该MIM立方体结构具有优势，对比了五种不同结构的单个纳米颗粒（如图5(a)所示）的吸收效率，结果如图5(b)所示。从球形到MIM立方体，吸收光谱逐渐变宽，主吸收峰红移，峰值增大。与其它结构相比，MIM立方体表现出更宽的吸收带和更高的吸收峰，在长波段的吸收效率明显提高，有利于实现在更宽的波长范围内吸收太阳能。
图6 (a) fv = 10-6时的收集器深度h和(b) h = 2厘米时的颗粒体积浓度fv对DASC的Am的影响。
本研究提出了一种Au-SiO2-Au MIM纳米立方体，用于改善太阳能吸收。对该纳米立方体的吸收光谱和电磁场分布进行的综合研究发现，在LSPR和MR作用下会出现多个吸收峰。与纯金属纳米颗粒相比，MIM纳米颗粒在LSPR和MR下表现出更宽的吸收带和更明显的吸收峰。参数研究表明，通过改变颗粒大小和调整颗粒结构，可以调整MIM纳米立方体峰的位置和大小，使其均匀分布。与其他纳米颗粒相比，Au-SiO2-Au MIM纳米立方体在可见光范围内具有宽光谱吸收。研究表明，在体积分数为10-6和集热器深度为2 cm的条件下，使用MIM纳米立方体的DASC太阳加权吸收系数Am比Au纳米球和Au纳米圆柱体分别提高了19.68%和8.48%。在实际应用中，纳米颗粒的尺寸和结构可以进行优化，以满足特定要求并提高光热转换效率。因此，所提出的MIM纳米立方体是太阳能热应用中选择纳米流体悬浮颗粒的一个很有前途的选择。值得一提的是，在实际应用中，纳米流体悬浮颗粒往往面临稳定性问题，因为纳米颗粒容易聚集。在这种情况下，流体的辐射特性可能会发生相应的变化，这将是我们未来研究的重点。
文章的第一作者为陈占朝研究生。通讯作者是哈尔滨工业大学（深圳）的秦彩燕老师。
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113307
——由课题组供稿
