我校材料科學與工程學院楊國偉教授研究組在8月10日出版的Science子刊Science Advances上發表他們在納米光子學材料研究中取得的重要突破。
淡水資源短缺是當前世界面臨的一大難題，海水淡化作為獲得淡水的有效方法之一備受關注。然而傳統的海水淡化裝置復雜、效率低、耗能多等。考慮到太陽能是取之不盡的清潔能源，所以，近年來，科學家們一直在尋找合適的光熱轉換材料來實現高效的太陽能海水淡化。如所周知，要想充分利用太陽能，好的光熱轉換材料必須滿足兩個基本條件：不僅要在整個太陽光譜范圍內具有強烈的吸收，而且還需要具有高的光熱轉化效率，以便能夠將捕獲的太陽光能用于海水蒸發。顯然，先進的納米光子學材料被期待著在太陽能光熱轉換海水淡化領域發揮重要作用。
碲納米顆粒及其光熱效應的熱像圖
最近，我校材料科學與工程學院楊國偉教授研究組在基于光熱轉化效應的納米光子學材料研究中取得重要突破，他們發展了一種全新的光熱轉換全介質材料（all-dielectric materials）即碲（Te）納米顆粒，它不僅可以實現全太陽光譜吸收而且具有極高的光熱轉換效率。他們采用自己發展的液相激光熔蝕（laser ablation in liquids, LAL）技術制備出多晶碲納米顆粒，粒徑分布范圍10到300納米，并且發現由碲納米顆粒自組裝形成的吸收層具有強烈的寬譜吸收屬性，在整個太陽光譜范圍內的吸收率超過85%（紫外區接近100%）。在太陽光照射下，該吸收層的溫度從29°C上升到85°C只需要100秒的時間。此外，通過將所制備碲納米顆粒均勻分散到水中，在太陽光照射下水的蒸發速率提升了3倍，這種表現超越了所有已經報道的用于太陽能光熱轉換水蒸發的納米光子學材料，包括等離激元（plasmonic）和全介質材料。
他們發現碲納米顆粒優異的太陽能光熱轉換效應來源于其獨特的“光學二重性”（plasmonic and all-dielectric）。在全太陽光譜范圍內，隨著納米顆粒尺度的變化，碲納米顆粒的介電常數會由負變化到正，進而實現從金屬屬性向全介質屬性的轉變。當碲納米顆粒粒徑小于120納米時，它的光譜性質與表面等離激元材料（如金納米顆粒）類似，而當顆粒尺寸大于120納米時，它的光譜性質轉變為與高折射率全介質材料（如硅納米顆粒）類似。由于表面等離激元共振和全介質米氏共振都可以大幅增強材料的光學吸收效率，而且全介質米氏共振波長隨著尺寸增大紅移。因此，具有寬粒徑分布的碲納米顆粒層的吸收光譜可以覆蓋整個太陽光譜。同時，碲納米顆粒中間帶（intermediate band）的存在，使得其具有高的光熱轉化效率，從而實現將吸收的太陽光能高效地用于水蒸發。
該研究成果以題目為“The optical duality of tellurium nanoparticles for broadband solar energy harvesting and efficient photothermal conversion”的論文發表于Science（科學）子刊Science Advances（科學進展）（Science Advances 4, eaas9894 (2018)）。該研究是楊國偉教授研究組在中山大學獨立完成的，論文第一作者是馬楚榮博士生，通訊作者是楊國偉教授，得到國家重大科學研究計劃、廣州市科技計劃和光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。
研究成果一經發表，立刻在第一時間引起了重要國際媒體的關注。美國物理學家組織網（https://phys.org）在“News”欄目以“Using tellurium nanoparticles to achieve plasmonic-like and all-dielectric properties when exposed to sunlight”為題對該工作進行了高度評價并認為這種同時具有等離激元和全介質特性的“光學二重性”納米光子學光熱轉換材料將在海水淡化中發揮重要作用；美國電氣電子工程師學會的IEEE Spectrum在“Top Story”欄目以“Nanoparticles Take Solar Desalination to New Heights”為題報道了該研究，認為它創造了新的光熱轉換過程，可以使太陽能更高效地進行海水淡化，這一重要發現一定程度上推動了這項技術在全世界的發展進程。
