太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換是對(duì)納米技術(shù)影響重大的領(lǐng)域。多種光譜技術(shù)用于探測(cè)納米粒子的特性和應(yīng)用。來(lái)自中國(guó)的研究人員最近發(fā)表了一篇關(guān)于用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的碲納米顆粒的文章。他們采用拉曼光譜、紫外可見(jiàn)吸收光譜和暗場(chǎng)散射光譜來(lái)了解顆粒特性。該研究發(fā)表在Laser Focus World上，文章如下：

至少在過(guò)去十年中，“太陽(yáng)能熱”技術(shù)(利用陽(yáng)光將水轉(zhuǎn)化為蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)渦輪機(jī)或進(jìn)行海水淡化)對(duì)投資界來(lái)說(shuō)非常有利。大約六年前，萊斯大學(xué)的研究人員將一些納米顆粒添加到冷水中，并將混合物暴露在陽(yáng)光下時(shí)能夠產(chǎn)生蒸汽，納米顆粒開(kāi)始進(jìn)入太陽(yáng)能熱游戲。

從那時(shí)起，現(xiàn)在所謂的光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的許多工作都轉(zhuǎn)向了等離子體激元領(lǐng)域，該領(lǐng)域利用光子撞擊金屬表面時(shí)產(chǎn)生的電子波。然而，生產(chǎn)等離子體納米結(jié)構(gòu)肯定不像僅僅在水中添加一些納米顆粒那么簡(jiǎn)單。

現(xiàn)在，中國(guó)的研究人員將納米粒子添加到水中的便利性與等離子體激元相結(jié)合，創(chuàng)造了一種光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程，該過(guò)程超越了之前報(bào)道的所有等離子體或全電介質(zhì)納米粒子。中山大學(xué)(中國(guó)廣州)的研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上展示了他們聲稱(chēng)的第一種在暴露于陽(yáng)光下時(shí)同時(shí)具有類(lèi)等離子體和全介電特性的材料。

該研究的合著者、中山大學(xué)教授 GW Yang 表示，實(shí)現(xiàn)這種組合的關(guān)鍵是使用碲 (Te) 納米粒子，它具有獨(dú)特的光學(xué)二象性。

通過(guò)將這些納米顆粒分散到水中，在太陽(yáng)輻射下水的蒸發(fā)率提高了三倍。這使得可以在 100 秒內(nèi)將水溫從 29 攝氏度升高到 85 攝氏度。

“當(dāng) Te 納米顆粒小于 120 納米時(shí)，它的性能類(lèi)似于等離子體納米顆粒，而當(dāng)這些納米顆粒大于 120 納米時(shí)，它的性能就像高折射率全電介質(zhì)納米顆粒，”Yang 說(shuō)。Te 納米粒子之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種二元性，是因?yàn)樗鼈兙哂休^寬的尺寸分布(從 10 到 300 nm)。這種增強(qiáng)的吸收可以覆蓋整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜。

Te納米顆粒的另一個(gè)特性是，當(dāng)它被陽(yáng)光激發(fā)時(shí)，激發(fā)能完全轉(zhuǎn)移到載流子(電子和空穴)上。這使得載流子失去平衡并進(jìn)入更高溫度的特殊動(dòng)量狀態(tài)。”

楊解釋說(shuō)，隨著系統(tǒng)向平衡演化，這些載流子會(huì)松弛。當(dāng)載流子散射時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一種稱(chēng)為庫(kù)侖熱化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象形成熱化載流子的熱氣體，與聲子耦合并將多余的能量轉(zhuǎn)移到晶格。這導(dǎo)致碲納米粒子的有效加熱。

對(duì)于這種用于商業(yè)海水淡化的方法，楊承認(rèn)，目前在液體中用納秒激光燒蝕生產(chǎn)碲納米顆粒的方法是有限的?！艾F(xiàn)在，我們正在嘗試通過(guò)其他方法制備碲納米顆粒，”他補(bǔ)充道。但由于碲納米粒子具有獨(dú)特的光學(xué)二元性，楊設(shè)想了該技術(shù)的其他應(yīng)用。“我們希望將它們應(yīng)用于傳感器或納米天線，”他說(shuō)。

發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的論文摘要 詳細(xì)介紹了研究結(jié)果：

用于太陽(yáng)能收集和光熱轉(zhuǎn)換的納米光子材料緩解全球能源危機(jī)迫切需要。我們證明，由具有寬尺寸分布的碲 (Te) 納米顆粒制成的寬帶吸收體可以吸收整個(gè)光譜中超過(guò) 85% 的太陽(yáng)輻射。吸收體在陽(yáng)光照射下的溫度可在100秒內(nèi)從29°C升至85°C。通過(guò)將Te納米顆粒分散到水中，在78.9 mW/cm2的太陽(yáng)輻射下，水的蒸發(fā)速率提高了三倍。

這種光熱轉(zhuǎn)換超過(guò)了之前報(bào)道的等離子體或全介電納米粒子。我們還確定 Te 的獨(dú)特介電常數(shù)是高性能的原因。介電常數(shù)的實(shí)部在紫外-可見(jiàn)-近紅外區(qū)域經(jīng)歷從負(fù)到正的轉(zhuǎn)變，賦予Te納米粒子類(lèi)等離子體和全介電二象性。由于類(lèi)等離子體和米氏型共振的增強(qiáng)，總吸收覆蓋了太陽(yáng)輻射的整個(gè)光譜。它是第一個(gè)報(bào)道的在太陽(yáng)輻射區(qū)域同時(shí)具有類(lèi)等離子體和全介電特性的材料。這些發(fā)現(xiàn)表明，Te 納米顆粒有望成為一種先進(jìn)的光熱轉(zhuǎn)換材料，用于太陽(yáng)能水蒸發(fā)。

審核編輯 黃宇