能源危机已成为制约人类社会发展的重要问题之一。太阳能是最有前途的绿色新能源之一，充分利用太阳能可以有效缓解能源危机。然而，要有效地收集和利用太阳能，就必须实现带宽接近太阳光谱的宽带吸收。等离子体吸收器因其在亚波长范围内捕捉光的独特能力而备受关注。
自2008年以来，人们开发了超材料来实现对微波的完美吸收。由三层超材料金属-绝缘体-金属（MIM）组成的等离子体吸收器可实现单波长或多波段吸收光谱。目前已有许多基于这种方式的太阳能吸收器，但这类吸收器的吸收带通常较窄。
地球上观测到的太阳辐射光谱范围约为295-2500nm。太阳热能系统直接利用太阳辐射产生热量，是获取太阳能的最常见方式之一。
太阳能热系统的关键部件是太阳能吸收器。对于太阳能吸收器来说，吸收器的吸收带必须在此范围内扩大，并尽可能对偏振光不敏感。实现宽带吸收的典型方法是在共振单元中组合两个或多个金属谐振器，使光谱中的多个共振吸收峰相互重叠，最终拓宽吸收带宽，此外还有其他类型的太阳能吸收器。
然而，由于相邻谐振器之间的竞争，单元中混合谐振器的数量有限，吸收器对宽带的吸收也受到限制。贵金属因其等离子体共振和光耦合行为而被广泛应用于这些理想吸收器中。然而，大多数贵金属都存在吸收光谱较短的问题，受限于低储存量和高成本。因此，我们仍然需要具有更宽光谱的吸收体。
此外，研究表明，由钛（Ti）制成的原材料具有宽带吸收特性。由于介电常数的虚部损耗大，对光的吸收损耗非常大，因此能在较宽的频带内产生较高的光吸收。因此，钛及其复合材料被认为具有很强的等离子体行为。
这些特性使钛成为等离子体吸收材料。难熔金属可以在比贵金属更高的温度下正常工作，因此更适合作为太阳能吸收器的材料。同时，钛在地球上的储量远高于金、银、铜等传统贵金属，可有效解决储量少、成本高的问题。
这些基于难熔金属的谐振系统及其新特性使新设备成为可能，并促进了现有应用，如太阳能电池和与太阳能相关的热光伏、太阳能热发电机和热传递系统。总之，难熔金属钛被用作MIM光吸收器的主要金属材料。
本文设计了一种基于断裂钛的性能更佳的超宽带太阳能吸收器。由于设计结构与所用材料之间的相互作用，所设计的吸收器可产生表面等离子体共振，从而使入射光子在金属表面被强烈吸收或散射。
电磁场的能量也会集中在亚波长范围内，从而产生极强的光场增强效应。这大大增强了光与物质之间的相互作用，减少了反射光。作为基底的金具有极高的反射率，阻碍了光的传输。由此，我们可以获得对太阳辐射的广谱吸收。在1759纳米范围内，吸收率达到90%，平均吸收率达到92.7%。此外，吸收率对偏振光不敏感。由于它是由难熔金属制成的，因此可以在高功率条件下正常工作，具有很好的应用前景。
结构图如图所示。吸收器的每个周期共由四层组成。最上层是由Ti组成的微结构层，其中圆盘的半径R¼=50nm，长方体的宽度P¼=50nm，长度L¼=280nm，高度H1¼=170nm。圆盘和长方体如图所示，间距为M¼=39纳米。
这里有一层钛W薄膜，厚度为H2¼=20nm，与底部用于隔开氧化硅层的金之间的厚度为H3¼260nm。整个纳米谐振器的周期边长为T¼=500nm。我们使用三维有限差分时域法进行了数值模拟，使用波长为100nm至2000nm的平面光从Z轴上方照射，并在结构区域外的Z方向直接照射完全匹配层。
周期性边界条件用于再现阵列模式在x和y两个方向。SiO2的折射率为1.45。Ti.Au和W的复折射率数据取自CRC。在制备太阳能吸收器时，我们可以先用离子束溅射法在金基底表面沉积SiO2和W薄膜，然后用磁控溅射法沉积Ti薄膜。最后，可通过光刻和电子束蒸发获得理想的微观结构。
如上图所示，R为反射率，T为透射率。由于金的厚度远大于电磁波所能穿透的衬底厚度，因此该结构的透射率基本为0，我们将用A¼=1-R来计算吸光度。从图中可以看出，在近紫外-近红外波长1759nm范围内，吸光度高于90%，并且在波长1759nm处有三个明显的峰值。分别为538.9nm、954.2nm和1726.5nm，吸收率分别为96.67%、98.63%和98.20%。
由此可见，本文所研究的结构具有较宽的电磁波吸收光谱。上图显示了整个纳米谐振器的吸收情况和没有微结构时的吸收情况。相比之下，吸收器的平均吸收率从55.36%增加到93.17%，这表明最上层的微结构对光的吸收做出了很大贡献。为了研究吸收器吸收太阳辐射的物理机制，我们模拟了吸收峰λ1、λ2和λ3处的电场和磁场分布。
上图显示了X-Y平面上的电场图。
上图显示了X-Z平面上的电场图。
上图则显示了X-Z平面上的磁场图。吸附峰λ1的波长为538.9nm。在极化方向上，电场主要分布在纳米钛谐振器的中上部，并分布在四圆盘和四立方体表面上。吸收峰λ2为954.2nm，电场主要分布在纳米谐振器顶部的极化方向上，同时削弱了两个圆盘体和两个立方体表面的电场。
与前一种情况类似，吸收峰λ3在1726.5nm处。而谐振器部分的大部分电场都分布在纳米谐振器上，但圆盘表面的电场强度却减弱了。每个周期性表面等离子体都在钛纳米谐振器表面被激发，这表明电场集中在尖端并导致吸收。
这些电场严格限制在矩形和圆盘的两端，从图中可以看出，磁场主要限制在圆盘的上表面。这些特征表明，吸收器依靠表面等离子体共振（传播表面等离子体和局部表面等离子体）实现了近乎完美的光吸收。为了研究不同结构参数对吸收器的影响，我们尝试改变纳米钛谐振器的参数。
如上图所示，圆盘的半径R发生了变化。当半径R从60nm减小到40nm时，λ1处的吸收峰从95.5%上升到98.9%，而λ2从91.8%增加到99.8%。然而，λ3先从90.8%上升到98.2%，然后下降到95.4%，而且吸收带越来越窄。出现这些现象的原因是钛纳米谐振器通过圆盘和矩形的等离子体共振提供了有效的共振吸收，还能形成互补的光谱吸收响应。
因此，钛纳米谐振器的结构参数不同吸收峰所对应的等离子体共振是不同的。它们的吸收峰相互叠加，产生超宽带吸收。在λ1和λ2时，随着R的减小，共振明显增强。在λ3时，共振在R¼=50nm时达到最大。
同样，在上图中，λ2处的吸收峰随着宽度P的增大而增大，吸收率从89.98%增加到99.90%。共振在P¼=30nm和P¼=40nm处达到最强，并伴有红移。在λ3处的吸收峰，共振在P¼50纳米处达到最大，吸收率达到98.2%。
上图中，H1的变化对吸收有显著影响。随着H1变小，吸收器在λ1和λ2处的吸收率变高。吸收峰的共振强度逐渐增加，吸收率分别达到97.92%和99.18%。同时，随着吸收峰共振的增加，吸收带也逐渐变窄。当H1¼=190nm时，λl3处的吸收共振达到最大，吸收率达到96.14%。
在上图中，L的变化对短波长的吸收影响不大。而λ2处的峰值随着L的减小逐渐增大，吸收率从94.3%增加到99.9%。然而，在L3处的峰值实现了最高吸收率。L¼=270纳米，达到98.8%。这一光学特性为调节吸收光谱提供了一种方法。
所有吸收峰都有不同程度的红移或蓝移。而矩形的宽度和整个纳米谐振器的厚度几乎与整个波段的吸收有关。因此，我们可以认为短波波段的共振主要受P和H1的影响，而长波波段的吸收和共振则是由R、P、H1和L共同作用决定的。
虽然这些吸收体在这些结构参数下表现出宽范围的完美吸收带，但要获得更好的效果，必须在吸收带宽和高吸收之间取得平衡。λ1和λ2处的共振在R¼40nm时达到最大，此时的结构参数没有使用。因为我们认为太阳能吸收器应尽可能保持90%以上的连续频带。为了进一步研究吸收器吸收光谱的变化，分别改变了W薄膜和二氧化硅（SiO2）的厚度。
从上图中可以看出，当随着W薄膜厚度的增加，λ3处吸收峰的吸收率从96.9%增加到99.5%，对λ1和λ2处吸收峰的吸收强度没有明显影响。但是，由于λ3处吸收峰的红移，波长l2和λ3处的吸收峰开始分裂，它们之间的吸收明显减少。
然而，在上图中，吸收体的谐振波长在氧化硅的厚度发生变化后出现了整体红移。随着SiO2厚度的增加，波长在λ2处的吸收从0.943增加到0.997，表明共振光和共振器变得越来越强。
但是，相邻峰之间的吸收却逐渐减少。原因是在λ2和λ3处的共振增强后，导致了2处的吸收峰从731.0纳米红移到1144.4纳米。同时，λ2处的吸收峰从1662.9纳米红移到1795.5纳米。它们的吸收峰宽度也减小了，导致相邻的吸收峰相互分离。
通过改变的结构参数所得到的结果，我们不难发现，结构的大小对吸收体的吸收至关重要，尤其是超薄功能层对吸收的影响更大。随后，为了更好地解释吸收器的吸收机制，将所提出的吸收器分为四种结构。
上图显示了吸收器在五种不同情况下的吸收光谱，其中每个圆盘和矩形的参数都相同。情况2和情况3的尺寸和结构相同。这两种相同的结构在TM光的入射下也有不同的吸收强度。在Case2和Case3中出现了两个明显的吸收峰。Case2的平均吸收率为68.2%，而Case3的平均吸收率为68.1%。Case
这也验证了表面等离子体共振的传播主要是在立方体的两端激发的。具有极化不敏感性的轴对称子波长结构会显著增强表面等离子体共振，因此Case5中的对称结构通常会产生更好的效果。Case5中的四个吸收峰分别达到了95.3%、99.3%、99.9%和95.9%，平均吸收率高达90.1%。
虽然Case4也是一种对称结构，吸收光谱中也出现了两个较高的吸附峰，但整个波段的平均吸收率仅为59.9%。这是因为它的吸附模式主要是局部表面等离子共振，共振强度相对较弱。
这也证明了我们设计的超材料结构在广谱吸收电磁波方面比其他结构具有更大的优势。由于吸收器的设计目的是吸收太阳辐射，因此接下来需要研究吸收器对太阳辐射的吸收情况。如
上图分别显示了情况1、情况2、情况3、情况4和情况5中吸收器对太阳辐射的吸收情况。我们可以看到，在情况1中，太阳辐射能量的最大范围集中在可见光和附近的紫外线和近红外线。
因此，在这一范围内，吸收剂的吸收率越高，太阳能吸收剂的太阳能吸收能力就越强，而在其他情况下，吸收剂在可见光区域的吸收率并不高。
在这项研究中，我们使用FDTD方法对钛基吸收体进行了计算和数值模拟。我们将其置于100nm至2000nm的电磁波下，结果表明该吸收体对电磁波的吸收光谱很宽，在1759nm的连续光谱范围内对超紫外-可见光-红外波段的吸收率超过90%。该吸收器在整个波段的平均吸收率高达93.17%。
随后，我们讨论了吸收体的各种参数对吸收体吸收光谱的影响。然后，我们尝试探索吸收体的物理吸收机制。实验证明，吸收体的吸收特性与极化无关，对角度也不敏感，因此在电磁条件下具有良好的电磁波吸收特性。
此外，这种吸收体在计算太阳吸收测量值时也具有非常好的性能。不仅如此，钛还具有耐火性，可以在高温下正常工作。最后，使用其他类型的耐火材料作为吸收材料也有很好的效果，这证明该吸收器对其他耐火金属材料具有一定的通用性。
