CN112147724A - 基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法，所述完美吸收体为设在基底上的多层结构，所述多层结构从下至上依次为Mxene背板层、间隔层和金纳米颗粒层。本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，通过采用特定的Mxene背板层‑间隔层‑金纳米颗粒层的结构，可以实现在300～1800nm波长范围内吸光度大于90％，且不依赖入射光角度。本发明实施例提供的该完美吸收体的制备方法简便快速，均采用旋涂或滴涂溶液的方式进行制备，易于调控，可保证产品质量且降低生产成本，利于该完美吸收体的推广应用。

Description

基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学材料领域，尤其涉及一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法。

背景技术

电磁波的完美吸收在光化学中有着非凡的应用，尤其是在等离激元诱导的热电子的产生和注入方面，对化学反应有极大的促进作用，同样，它可以在通信系统中以非常低的能耗实现高光调制和信息信号的超快速切换。电磁屏蔽，热光伏电池，光电检测和许多其他重要应用高度依赖于电磁波的完美吸收。

人造结构材料或超材料由于其与自由空间的阻抗匹配以及谐振时的介电损耗而在宽范围内获得了完美的光吸收。尽管它显示出高吸收效率，但是光刻的制造方式、低通量和昂贵的技术阻碍了基于超材料的器件的广泛应用。因此，在大多数光学器件中，强烈需要一种简便且经济有效的完美吸收体。

发明内容

本发明实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体及其制备方法，通过特定构造使吸收体在宽频和广角范围内实现完美吸收，且制备方法简单，易于推广应用。

本发明实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，为设在基底上的多层结构，所述多层结构从下至上依次为Mxene背板层、间隔层和金纳米颗粒层。

其中，所谓的从下至上是以基底为参照的，即最靠近基底的为Mxene背板层。

Mxene是一种新型二维材料，由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成，在催化、能源存储器件等方面有部分应用，在吸收体领域应用较少。即使有少数报道将Mxene用于制备吸收体，采用的方案有Ag/MXene/TiO₂三元复合材料、Fe₂O₃@MXene复合粉末，但这些方案吸收效率仍有待提高。

本发明经过研究意外地发现，以Mxene为背板层，在其上形成间隔层和金纳米颗粒层，构成特定的金属-绝缘/半导体-金属结构，在谐振波长处，在金纳米颗粒层和Mxene层上下两层形成反向平行的电流，形成磁偶极子，磁偶极子与入射电磁波的磁场分量发生相互作用而产生磁共振，加之金纳米颗粒的表面等离激元共振和光学谐振腔场增强效应，使吸收体可以在宽频和广角范围内实现完美吸收，明显优于现有的吸收体。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，所述Mxene背板层的厚度为100～500nm；所述间隔层的厚度为10～100nm；所述金纳米颗粒层为单层随机排列的不同形状和大小的金纳米颗粒，所述金纳米颗粒的粒径为20～100nm。

该吸收体结构的每一层的厚度对最终吸收效果存在一定影响，当各层厚度控制在上述范围内时，所得完美吸收体吸收效果较佳。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，所述金纳米颗粒层覆盖所述间隔层的覆盖率为65～85％。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，所述间隔层为绝缘体或半导体，选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、二氧化钛或二氧化硅，优选为聚甲基丙烯酸甲酯。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，所述基底为SiO₂/Si基底。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，在300～1800nm波长范围内，所述完美吸收体的吸光度大于90％，且不依赖入射光角度。

本发明实施例还提供上述基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，包括：

将各层原料先分别配制成溶液，再在基底上采用旋涂或滴涂的方式依次制备形成Mxene背板层、间隔层和金纳米颗粒层。

本发明的制备方法整个过程是全溶液制备，相较于现有技术通过光刻等技术制备超材料，操作方便，工艺简单，易于调控，可通过控制旋涂或滴涂次数来调控各层的厚度。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，先采用原位刻蚀方法制备得到Mxene粉末，然后将其溶于水配制成溶液，再旋涂在基底上形成所述Mxene背板层。

根据本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，先采用种子介导的生长方法制备得到金纳米颗粒，然后将其分散于水中形成溶液，再滴涂至所述间隔层的表面上形成所述金纳米颗粒层。

本发明实施例提供的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，通过采用特定的Mxene背板层-间隔层-金纳米颗粒层的结构，可以实现在300～1800nm波长范围内吸光度大于90％，且不依赖入射光角度。本发明实施例提供的该完美吸收体的制备方法简便快速，均采用旋涂或滴涂溶液的方式进行制备，易于调控，可保证产品质量且降低生产成本，利于该完美吸收体的推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中完美吸收体的结构示意图；

图2为本发明实施例1中Mxene的透射电子显微镜图像；

图3为本发明实施例1中Mxene的高分辨率TEM图像；

图4为本发明实施例1中在650nm处金纳米颗粒溶液等离激元吸收峰的归一化UV-Vis吸收谱图；

图5为本发明实施例1中金纳米颗粒的SEM图像；

图6为本发明实施例1中各阶段不同组成器件在300～1800nm电磁波下的吸光度；

图7为本发明实施例1中完美吸收体在不同入射光角度下的吸光度；

图8为本发明实施例2中完美吸收体在300～1800nm电磁波下的吸收度；

图9为本发明实施例3中完美吸收体在300～1800nm电磁波下的吸收度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其结构示意图如图1所示，为设在SiO₂/Si基底1上的多层结构，所述多层结构从下至上依次为Mxene背板层2、PMMA间隔层3和金纳米颗粒层4。

其中，Mxene背板层2的厚度为180nm，PMMA间隔层3的厚度为40nm，金纳米颗粒层4为单层随机排列的金纳米颗粒，金纳米颗粒大小尺寸不一，粒径范围为20-100nm，金纳米颗粒层4覆盖PMMA间隔层3的覆盖率为75％。

本实施例还提供上述完美吸收体的制备方法，步骤如下：

(1)原位刻蚀方法制备Mxene

配置HCl+LiF溶液：在35℃的油浴中，将1.0g LiF和20mL HCl(6M)加入在100mL聚丙烯管中，连续搅拌直至LiF完全溶解。

去除前驱体Ti₃AlC₂中铝元素：在缓慢搅拌下，向溶液中加入1.0g Ti₃AlC₂，反应24小时。聚丙烯管中的溶液以3500rpm离心5分钟，并重复几次，直到在离心管底部获得深绿色物质。将该物质进一步用蒸馏水分散，然后以相同的速度放在离心机上一小时。进一步离心纯化后，获得深绿色的Ti₃C₂Tx Mxene，将其在80℃的真空烘箱中干燥24小时。最后，研磨干燥的Mxene得到细粉，将其在室温下储存在玻璃瓶中。

所得Mxene的结构表征如图2和图3所示。图2为Mxene的透射电子显微镜图像，显示了Mxene为二维形态。图3为Mxene的高分辨率TEM图像，其晶格间距为0.29nm；插图为所选区域的电子衍射图，确认了Mxene为六方晶体结构。

(2)种子介导的生长方法制备金纳米颗粒

种子溶液的制备：将0.25mL的10mM水合四氯金酸(HAuCl₄·4H₂O，分析纯)和1.65mL蒸馏水加到7.5mL的100mM十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液中。在30℃下保持2分钟后，在剧烈搅拌下添加约0.6mL的10mM新鲜制备的冰冷的硼氢化钠(NaBH₄，98％)溶液。在几秒钟内，其颜色变为棕黄色，并静置两个小时，以备后用。该溶液可作为制备金纳米颗粒和纳米棒的种子。

金纳米粒子的生长：通过在连续搅拌下将75μL 10mM AgNO₃加入到0.5mL HAuCl₄和10mL 100mM CTAB的水溶液中来制备金纳米粒子的生长溶液。之后，在30℃下，当溶液变为无色时，在剧烈搅拌下添加约0.6μL 100mM抗坏血酸，然后添加(12μL+3μL)种子溶液，并使其在30℃下静置过夜进行生长。其中额外的3μL种子溶液还可以产生一些球形和不规则几何形状的颗粒。反应完成后，以10,000rpm离心10分钟，将金纳米颗粒用蒸馏水洗涤两次。

将获得的纳米颗粒分散在蒸馏水中以进一步表征，以检查等离激元共振吸收和形态，如图4和图5所示。图4为在650nm处金纳米颗粒溶液等离激元吸收峰的归一化UV-Vis吸收谱图，显示了室温下金纳米颗粒在水中的纵向和横向共振峰位置。图5为金纳米颗粒的SEM图像，显示了所合成金纳米颗粒的棒状和球状形貌以及随机分布状态。

(3)吸收体的制备

将Mxene细粉溶于水配制成溶液，浓度为40mg/ml，以旋涂的方式涂覆于SiO₂/Si基底上，通过控制旋涂次数获得180nm厚的Mxene背板层。

将PMMA水溶液旋涂于Mxene背板层表面上，形成厚度为40nm的PMMA间隔层。

在PMMA间隔层表面上滴涂金纳米颗粒的水溶液，获得随机分布的金纳米颗粒，待水挥发完全，得到金纳米颗粒层，此时即得到最终完美吸收体。

测定各阶段不同组成器件在300～1800nm电磁波下的吸光度，结果如图6所示，其中实线B为Au NPs/PMMA/Mxene/基底(即所得完美吸收体)，虚线C为PMMA/Mxene/基底，D点划线为Mxene/基底，E虚线为SiO₂/Si基底。可以看出，基底SiO₂/Si在有限波长范围内对电磁波有较高的吸收，当添加Mxene时，它仅充当背板层，对最终吸收没有贡献。进而，添加Mxene和PMMA后，可以观察到在1000～1800nm波长的近红外区域吸收显著增强。PMMA层具有较低的介电指数，它可以与空气很好地匹配并充当减反射(AR)层以减少电磁波的反射，因此可以提高对光的吸收性能。在PMMA层上添加金纳米颗粒后，从可见光到近红外范围内，器件的吸收大大增强，吸光度提高至98.5％。金纳米颗粒的随机分布加强不规则的散射，因此在间隔层区域产生驻波的机会更大。Fabery-Perot空腔模型在Mxene层和金纳米颗粒层之间的间隔层区域中生成，并且正向和反向波之间的叠加会建立约束场。

基于完美吸收体在不同的应用中会遇到入射光角度不同的问题，因此，在此类系统中强烈建议制作不依赖角度的吸收体。通过不同角度(0°、15°、30°和45°)入射光的测试，结果如图7所示，显示实施例1所得完美吸收体在较宽角度范围内具有完美吸收的能力，证实了其在光学应用中的可行性，并特别为光热转换和光伏技术中的能量收集开辟了新窗口。

实施例2

本实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，与实施例1的区别仅在于，Mxene背板层的厚度为144nm。

在相同条件下测得该吸收体的吸收度如图8所示。

实施例3

本实施例提供一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，与实施例1的区别仅在于，PMMA间隔层的厚度为72nm。

在相同条件下测得该吸收体的吸收度如图9所示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，为设在基底上的多层结构，所述多层结构从下至上依次为Mxene背板层、间隔层和金纳米颗粒层。

2.根据权利要求1所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，所述Mxene背板层的厚度为100～500nm；所述间隔层的厚度为10～100nm；所述金纳米颗粒层为单层随机排列的不同形状和大小的金纳米颗粒，所述金纳米颗粒的粒径为20～100nm。

3.根据权利要求2所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，所述金纳米颗粒层覆盖所述间隔层的覆盖率为65～85％。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，所述间隔层为绝缘体或半导体，选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、二氧化硅或二氧化钛。

5.根据权利要求4所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，所述基底为SiO₂/Si基底。

6.根据权利要求5所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体，其特征在于，在300～1800nm波长范围内，所述完美吸收体的吸光度大于90％，且不依赖入射光角度。

7.权利要求1～6任一项所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，其特征在于，包括：

将各层原料先分别配制成溶液，再在基底上采用旋涂或滴涂的方式依次制备形成Mxene背板层、间隔层和金纳米颗粒层。

8.根据权利要求7所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，其特征在于，先采用原位刻蚀方法制备得到Mxene粉末，然后将其溶于水配制成溶液，再旋涂在基底上形成所述Mxene背板层。

9.根据权利要求7所述的基于Mxene的宽频和广角完美吸收体的制备方法，其特征在于，先采用种子介导的生长方法制备得到金纳米颗粒，然后将其分散于水中形成溶液，再滴涂至所述间隔层的表面上。

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