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Absorbente metamaterial

Un absorbente metamaterial [1] es un tipo de metamaterial diseñado para absorber de manera eficiente la radiación electromagnética , como la luz . Además, los metamateriales son un avance en la ciencia de los materiales . Por lo tanto, aquellos metamateriales que están diseñados para ser absorbentes ofrecen beneficios sobre los absorbentes convencionales, como una mayor miniaturización, una mayor adaptabilidad y una mayor efectividad. Las aplicaciones previstas para el absorbente metamaterial incluyen emisores, fotodetectores , sensores , moduladores de luz espacial , camuflaje infrarrojo, comunicación inalámbrica y uso en energía solar fotovoltaica y termofotovoltaica .

Para aplicaciones prácticas, los absorbedores de metamateriales se pueden dividir en dos tipos: banda estrecha y banda ancha. [2] [3] Por ejemplo, los absorbedores de metamateriales se pueden utilizar para mejorar el rendimiento de los fotodetectores . [2] [4] [5] [6] Los absorbedores de metamateriales también se pueden utilizar para mejorar la absorción tanto en aplicaciones solares fotovoltaicas [7] [8] como termofotovoltaicas [9] [10] . La ingeniería de profundidad de piel se puede utilizar en absorbedores de metamateriales en aplicaciones fotovoltaicas , así como en otros dispositivos optoelectrónicos, donde la optimización del rendimiento del dispositivo exige minimizar las pérdidas resistivas y el consumo de energía, como fotodetectores , diodos láser y diodos emisores de luz . [11]

Además, la aparición de absorbentes de metamateriales permite a los investigadores comprender mejor la teoría de los metamateriales , que se deriva de la teoría clásica de ondas electromagnéticas . Esto conduce a comprender las capacidades del material y las razones de las limitaciones actuales. [1]

Desafortunadamente, lograr una absorción de banda ancha, especialmente en la región THz (y frecuencias más altas), sigue siendo una tarea desafiante debido al ancho de banda intrínsecamente estrecho de los polaritones plasmónicos de superficie (SPP) o resonancias plasmónicas de superficie localizadas (LSPR) generados en superficies metálicas a escala nanométrica, que se explotan como un mecanismo para obtener una absorción perfecta. [2]

Metamateriales

Los metamateriales son materiales artificiales que presentan propiedades únicas que no se dan en la naturaleza. Suelen ser conjuntos de estructuras que son más pequeñas que la longitud de onda con la que interactúan. Estas estructuras tienen la capacidad de controlar la radiación electromagnética de formas únicas que no exhiben los materiales convencionales. Es el espaciamiento y la forma de los componentes de un metamaterial determinado lo que define su uso y la forma en que controla la radiación electromagnética. A diferencia de la mayoría de los materiales convencionales, los investigadores en este campo pueden controlar físicamente la radiación electromagnética alterando la geometría de los componentes del material. Las estructuras de metamateriales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones y en un amplio rango de frecuencias, desde frecuencias de radio hasta microondas , terahercios , a través del espectro infrarrojo y longitudes de onda casi visibles . [1]

Absorbedores

"Un absorbedor electromagnético no refleja ni transmite la radiación incidente. Por lo tanto, la potencia de la onda incidente es absorbida en su mayor parte por los materiales del absorbedor. El rendimiento de un absorbedor depende de su espesor y morfología, y también de los materiales utilizados para fabricarlo". [12]

"Un absorbedor de casi unidad es un dispositivo en el que toda la radiación incidente se absorbe a la frecuencia de funcionamiento; la transmisividad, la reflectividad, la dispersión y todos los demás canales de propagación de la luz se desactivan. Los absorbedores de ondas electromagnéticas (EM) se pueden clasificar en dos tipos: absorbedores resonantes y absorbedores de banda ancha. [2] [13]

Concepciones principales

Un absorbente de metamateriales utiliza el diseño de medio efectivo de los metamateriales y los componentes de pérdida de permitividad y permeabilidad magnética para crear un material que tiene una alta relación de absorción de radiación electromagnética. La pérdida se observa en aplicaciones de índice de refracción negativo ( metamateriales fotónicos , metamateriales de sistemas de antena ) u óptica de transformación ( encubrimiento de metamateriales , mecánica celeste), pero normalmente no es deseable en estas aplicaciones. [1] [14]

La permitividad y la permeabilidad complejas se derivan de los metamateriales utilizando el enfoque del medio efectivo . Como medios efectivos, los metamateriales se pueden caracterizar con ε(w) = ε 1 + iε 2 complejos para la permitividad efectiva y μ(w) = μ 1 + i μ 2 para la permeabilidad efectiva. Los valores complejos de permitividad y permeabilidad corresponden típicamente a la atenuación en un medio. La mayor parte del trabajo en metamateriales se centra en las partes reales de estos parámetros, que se relacionan con la propagación de ondas en lugar de la atenuación. Los componentes de pérdida (imaginarios) son pequeños en comparación con las partes reales y a menudo se descuidan en tales casos.

Sin embargo, los términos de pérdida (ε 2 y μ 2 ) también pueden diseñarse para crear una alta atenuación y una absorción correspondientemente grande. Al manipular de forma independiente las resonancias en ε y μ es posible absorber tanto el campo eléctrico como el magnético incidentes. Además, un metamaterial puede adaptarse en impedancia al espacio libre mediante la ingeniería de su permitividad y permeabilidad, minimizando la reflectividad. Por lo tanto, se convierte en un absorbente de gran capacidad. [1] [14] [15]

Este enfoque se puede utilizar para crear absorbentes delgados. Los absorbentes convencionales típicos son gruesos en comparación con las longitudes de onda de interés, [16] lo que es un problema en muchas aplicaciones. Dado que los metamateriales se caracterizan en función de su naturaleza de sublongitud de onda, se pueden utilizar para crear absorbentes efectivos pero delgados. Esto tampoco se limita a la absorción electromagnética. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcde Landy NI, et al. (21 de mayo de 2008). "Perfect Metamaterial Absorber" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 100 (20): 207402 (2008) [4 páginas]. arXiv : 0803.1670 . Bibcode :2008PhRvL.100t7402L. doi :10.1103/PhysRevLett.100.207402. PMID  18518577. S2CID  13319253. Archivado desde el original (PDF) el 4 de junio de 2011 . Consultado el 22 de enero de 2010 .
  2. ^ abcd Yu, Peng; Besteiro, Lucas V.; Huang, Yongjun; Wu, Jiang; Fu, Lan; Bronceado, Hark H.; Jagadish, Chennupati; Wiederrecht, Gary P.; Govorov, Alexander O. (2018). "Absorbedores de metamateriales de banda ancha". Materiales ópticos avanzados . 7 (3): 1800995. doi : 10.1002/adom.201800995 . hdl : 1885/213159 . ISSN  2195-1071.
  3. ^ de Oliveira Neto, AM; Beccaro, W.; de Oliveira, AM; Justo, JF (2023). "Explorando los patrones internos en el diseño de absorbentes de microondas de banda ultraancha". IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters . 22 (9): 2290-2294. doi :10.1109/LAWP.2023.3284650.
  4. ^ Li, W.; Valentine, J. (2014). "Fotodetección de electrones calientes basada en absorbentes perfectos de metamateriales". Nano Letters . 14 (6): 3510–3514. Bibcode :2014NanoL..14.3510L. doi :10.1021/nl501090w. PMID  24837991.
  5. ^ Yu, Peng; Wu, Jiang; Ashalley, Eric; Govorov, Alexander; Wang, Zhiming (2016). "Absorbedor de doble banda para fotodetección infrarroja mejorada con plasmón multiespectral" (PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 49 (36): 365101. Bibcode :2016JPhD...49J5101Y. doi :10.1088/0022-3727/49/36/365101. ISSN  0022-3727. S2CID  123927835.
  6. ^ Awad, Ehab (21 de junio de 2022). "Metamaterial de grafeno integrado en Bundt Optenna para una absorción mejorada de infrarrojos de banda ultraancha". Nanomateriales . 12 (13): 2131. doi : 10.3390/nano12132131 . PMC 9268047 . PMID  35807966. 
  7. ^ Vora, A.; Gwamuri, J.; Pala, N.; Kulkarni, A.; Pearce, JM; Güney, D. Ö. (2014). "Intercambio de pérdidas óhmicas en absorbedores de metamateriales con absorción óptica útil para energía fotovoltaica". Sci. Rep . 4 : 4901. arXiv : 1404.7069 . Bibcode :2014NatSR...4E4901V. doi : 10.1038/srep04901. PMC 4014987. PMID  24811322. 
  8. ^ Wang, Y.; Sun, T.; Paudel, T.; Zhang, Y.; Ren, Z.; Kempa, K. (2011). "Estructura absorbente plasmónica de metamaterial para células solares de silicio amorfo de alta eficiencia". Nano Letters . 12 (1): 440–445. Bibcode :2012NanoL..12..440W. doi :10.1021/nl203763k. PMID  22185407.
  9. ^ Wu, C.; Neuner III, B.; John, J.; Milder, A.; Zollars, B.; Savoy, S.; Shvets, G. (2012). "Absorbedor/emisor plasmónico integrado basado en metamateriales para sistemas solares termo-fotovoltaicos". Journal of Optics . 14 (2): 024005. Bibcode :2012JOpt...14b4005W. doi :10.1088/2040-8978/14/2/024005. S2CID  120371536.
  10. ^ Simovski, Constantin; Maslovski, Stanislav; Nefedov, Igor; Tretyakov, Sergei (2013). "Optimización de la transferencia de calor radiativo en metamateriales hiperbólicos para aplicaciones termofotovoltaicas". Optics Express . 21 (12): 14988–15013. Bibcode :2013OExpr..2114988S. doi : 10.1364/oe.21.014988 . PMID  23787687.
  11. ^ Adams, Wyatt; Vora, Ankit; Gwamuri, Jephias; Pearce, Joshua M.; Guney, Durdu Ö. (2015). Subramania, Ganapathi S; Foteinopoulou, Stavroula (eds.). "Control de la absorción óptica en absorbedores de metamateriales para células solares plasmónicas". Proc. SPIE 9546, Materiales fotónicos activos VII . Materiales fotónicos activos VII. 9546 : 95461M. Código Bibliográfico :2015SPIE.9546E..1MA. doi :10.1117/12.2190396. S2CID  8271761.
  12. ^ Alici, Kamil Boratay; Bilotti, Filiberto; Vegni, Lucio; Ozbay, Ekmel (2010). "Verificación experimental de absorbedores de microondas de sublongitud de onda basados ​​en metamateriales" (Descarga gratuita en PDF) . Journal of Applied Physics . 108 (8): 083113–083113–6. Bibcode :2010JAP...108h3113A. doi :10.1063/1.3493736. hdl : 11693/11975 . S2CID  51963014.
  13. ^ Watts, Claire M.; Liu, Xianliang; Padilla, Willie J. (2012). "Absorbedores de ondas electromagnéticas metamateriales". Materiales avanzados . 24 (23): OP98–OP120. Código Bibliográfico :2012AdM....24P..98W. doi : 10.1002/adma.201200674 . PMID  22627995.
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  15. ^ Yu, Peng; Besteiro, Lucas V.; Wu, Jiang; Huang, Yongjun; Wang, Yueqi; Govorov, Alexander O.; Wang, Zhiming (6 de agosto de 2018). "Absorbedor perfecto metamaterial con absorción constante independiente del tamaño". Optics Express . 26 (16): 20471–20480. Bibcode :2018OExpr..2620471Y. doi : 10.1364/OE.26.020471 . ISSN  1094-4087. PMID  30119357.
  16. ^ ab Yang, Z.; et al. (2010). "Paneles metamateriales acústicos para atenuación del sonido en el régimen de 50–1000 Hz". Appl. Phys. Lett . 96 (4): 041906 [3 páginas]. Código Bibliográfico :2010ApPhL..96d1906Y. doi :10.1063/1.3299007. S2CID  123233731.

Lectura adicional

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