中山大学在纳米光子学材料研究中取得重要突破

杨国伟教授研究组在2018年8月10日出版的Science子刊Science Advances上发表他们在纳米光子学材料研究中取得的重要突破。

淡水资源短缺是当前世界面临的一大难题，海水淡化作为获得淡水的有效方法之一备受关注。然而传统的海水淡化装置复杂、效率低、耗能多等。考虑到太阳能是取之不尽的清洁能源，所以，近年来，科学家们一直在寻找合适的光热转换材料来实现高效的太阳能海水淡化。如所周知，要想充分利用太阳能，好的光热转换材料必须满足两个基本条件：不仅要在整个太阳光谱范围内具有强烈的吸收，而且还需要具有高的光热转化效率，以便能够将捕获的太阳光能用于海水蒸发。显然，先进的纳米光子学材料被期待着在太阳能光热转换海水淡化领域发挥重要作用。

最近，杨国伟教授研究组的马楚荣博士生在基于光热转化效应的纳米光子学材料研究中取得重要突破，发展了一种全新的光热转换全介质材料（all-dielectric materials）即碲（Te）纳米颗粒，它不仅可以实现全太阳光谱吸收而且具有极高的光热转换效率。研究组采用自己发展的液相激光熔蚀（laser ablation in liquids, LAL）技术制备出多晶碲纳米颗粒，粒径分布范围10到300纳米，并且发现由碲纳米颗粒自组装形成的吸收层具有强烈的宽谱吸收属性，在整个太阳光谱范围内的吸收率超过85%（紫外区接近100%）。在太阳光照射下，该吸收层的温度从29°C上升到85°C只需要100秒的时间。此外，通过将所制备碲纳米颗粒均匀分散到水中，在太阳光照射下水的蒸发速率提升了3倍，这种表现超越了所有已经报道的用于太阳能光热转换水蒸发的纳米光子学材料，包括等离激元（plasmonic）和全介质材料。

研究组发现碲纳米颗粒优异的太阳能光热转换效应来源于其独特的“光学二重性”（plasmonic and all-dielectric）。在全太阳光谱范围内，随着纳米颗粒尺度的变化，碲纳米颗粒的介电常数会由负变化到正，进而实现从金属属性向全介质属性的转变。当碲纳米颗粒粒径小于120纳米时，它的光谱性质与表面等离激元材料（如金纳米颗粒）类似，而当颗粒尺寸大于120纳米时，它的光谱性质转变为与高折射率全介质材料（如硅纳米颗粒）类似。由于表面等离激元共振和全介质米氏共振都可以大幅增强材料的光学吸收效率，而且全介质米氏共振波长随着尺寸增大红移。因此，具有宽粒径分布的碲纳米颗粒层的吸收光谱可以覆盖整个太阳光谱。同时，碲纳米颗粒中间带（intermediate band）的存在，使得其具有高的光热转化效率，从而实现将吸收的太阳光能高效地用于水蒸发。

该研究成果以题目为“The optical duality of tellurium nanoparticles for broadband solar energy harvesting and efficient photothermal conversion”的论文发表于Science（科学）子刊Science Advances（科学进展）（Science Advances 4, eaas9894 (2018)）。该研究是杨国伟教授研究组在中山大学独立完成的，论文第一作者是马楚荣博士生，通讯作者是杨国伟教授，得到国家重大科学研究计划、广州市科技计划和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。

该研究成果一经发表，立刻在第一时间引起了重要国际媒体的关注。美国物理学家组织网在“News”栏目以“Using tellurium nanoparticles to achieve plasmonic-like and all-dielectric properties when exposed to sunlight”为题对该工作进行了高度评价并认为这种同时具有等离激元和全介质特性的“光学二重性”纳米光子学光热转换材料将在海水淡化中发挥重要作用；美国电气电子工程师学会的IEEE Spectrum在“Top Story”栏目以“Nanoparticles Take Solar Desalination to New Heights”为题报道了该研究，认为它创造了新的光热转换过程，可以使太阳能更高效地进行海水淡化，这一重要发现一定程度上推动了这项技术在全世界的发展进程。

碲纳米颗粒及其光热效应的热像图