研究背景
表面等离激元（SPs）诱导的优异光热效应可用于各种应用，如太阳能脱盐、光催化和光热治疗等。利用热等离激元特性是实现工程金属纳米结构光热转换效率的重要途径。通过利用金属纳米结构中的空间等离激元共振，热等离激元行为允许在纳米尺度上精确控制热量。这种行为受到两个关键步骤的影响：通过辐照和金属纳米结构的相互作用产生倏逝波，以及在纳米结构内吸收耗散的倏逝波。因此，选择的材料和纳米结构的几何形状影响热等离子体效应。以往的研究已经广泛探索了利用等离子体纳米粒子来实现光热效应。其中，氮化钛（TiN）被认为是一种耐火且稳定的材料。在可见光和近红外光照射下，TiN也表现出优异的热等离子体特性。纳米结构TiN先前也被证明具有很强的光热效应。然而，纳米结构TiN大面积制造的可行性和宽带照明的转换效率仍然存在挑战。
研究内容
在本研究中，分层等离子体结构（HPSs）作为一种新型光热衬底被引入。HPSs由微观结构和纳米结构组成，其热等离子体特性利用了相应的光学反射。改变HPSs的表面形貌可以确定其光学反射率并优化其热等离子体性能。较低的光反射率表明HPS中存在较多的非辐射电磁波。在HPS中，非辐射电磁波可以转化为热能。采用标准的半导体工艺制备了HPS的微结构和纳米结构。采用光刻法和深度反应离子刻蚀法在硅衬底上制备微结构。在蚀刻过程中，钝化气体和反应气体的交换改变了Si微结构的形状。在获得Si微结构后，采用金属辅助化学蚀刻（MACE）方法在Si微结构上制备纳米结构。在该方法中，银（Ag）纳米粒子从退火银膜中获得，用作金属催化剂。在保持氟化氢（HF）浓度的同时，通过改变过氧化氢（H2O2）的浓度，采用MACE方法获得了不同形貌的纳米结构。随后，将TiN沉积在该Si结构上，最终获得HPS。HPS的表面形貌可以通过两个阶段的过程来改变：深度反应离子蚀刻和MACE方法。纳米结构TiN的空间分布可以通过HPS的两阶段过程来确定。所提出的HPS作为具有可调谐热等离子体特性的光热衬底具有很大的潜力。
图文导读
结论与展望
综上所述，HPS是一种新型光热衬底。作者采用了一种具有成本效益和大面积制造优势的标准半导体工艺来开发HPS。一种稳定耐用的等离子激元纳米材料（TiN）也被用作HPS上的热等离激元发生器。通过巧妙的设计，微结构和纳米结构的结合为提高光热效率提供了更多的自由度。表面粗糙度越大的HPS对结构的热化作用越强。图7显示了辐照功率密度随温度升高的关系。温度的升高取决于纳米结构TiN的辐照功率密度。锥形、表面较粗糙的HPS温度升高幅度最大，如图7所示。结果表明，在相对较低的辐照功率密度（小于一个太阳，一个太阳：100 mw/cm2）下，HPS产生了相当大的温度升高。具有超宽带（从可见光到中红外）吸收的等离子激元吸收器将在光子领域有很好的应用前景。等离子激元吸收器具有较高的光学吸收率（光学反射率小于10%）。HPS有潜力作为一种候选装置，通过转换太阳能有效地激活物理和化学反应。
