通过钛氧氮化物薄膜调制实现太阳能吸收器多层结构的光谱选择性增强

论文信息：C.P. Hallqvist, C. Mancarella, M. Agozzino, S. Lucchese, L. Mascaretti, I. Richter, A. Lamperti, D.C. Koutsogeorgis, N. Kalfagiannis, A. Li Bassi, Spectral Selectivity Enhancement in Solar Absorber Multilayers through Titanium Oxynitride Thin Film Modulation, Advanced Optical Materials (2026) e03426.

论文链接 ：https://doi.org/10.1002/adom.202503426 .

研究背景

如果想把太阳能高效转化为热能，一个核心问题是：材料既要在太阳光波段强吸收，又要在中红外波段尽量反射，从而减少热辐射损失。传统方法往往依赖复杂的等离激元纳米结构或多层光子结构，但制备成本高、稳定性差，不利于高温应用。近年来，耐高温的氮化钛（TiN）逐渐成为替代贵金属的候选材料，而在此基础上进一步引入氧形成TiON，则有望实现更灵活的光学调控，甚至出现特殊的双零介电常数行为，从而在不依赖复杂微结构的情况下，实现宽带高效吸收与光谱选择性的兼顾。

研究内容

研究首先从材料制备入手，通过脉冲激光沉积（PLD）方法，在不同氧气分压条件下制备TiN和TiON薄膜。实验结果表明，仅通过调节氧分压，就可以在保持薄膜致密结构的同时，实现从金属性TiN到部分氧化TiON的连续过渡。这种方法避免了复杂工艺步骤，使材料体系具备较好的可控性和可重复性。

图1. TiN/TiON 薄膜的代表性 SEM 截面图，分别对应于在 (a) 真空条件下，以及在 O₂ 分压为 (b) 1 Pa、(c) 1.5 Pa 和 (d) 2 Pa 条件下沉积所得。

随着氧含量的增加，薄膜的成分和结构发生系统变化。氮含量逐渐下降，氧含量增加，同时晶格常数减小、晶粒尺寸缩小，并逐渐出现无序甚至部分非晶特征。这一过程反映了从TiN向Ti(O)N再到含氧复合结构的演化，为后续光学性质调控提供了结构基础。

图2.基于 EDX 光谱分析估算的 TiN 和 TiON 薄膜中 (a) O/Ti 比和 (b) N/Ti 比。

在电学性质方面，随着氧掺入，材料的载流子浓度明显下降、电阻率显著升高，说明体系从强金属性逐渐向弱金属甚至准介质过渡。这种“可调金属性”正是实现光学响应调控的关键，因为等离激元行为与自由载流子密度密切相关。

图3. (a) 在真空中沉积的 TiN 以及在 O₂ 分压为 0.8–2 Pa 条件下制备的 TiON 薄膜的掠入射 XRD 衍射谱。灰色竖虚线对应于 TiN 粉末参考衍射图谱，参考数据取自文献 [39]。(b) 由 (111)、(200) 和 (220) 晶面 XRD 衍射峰计算得到的 TiN 和 TiON 薄膜平均晶格常数随压力的变化关系。(c) 在真空及 0.8–2 Pa 条件下沉积薄膜的拉曼光谱。(a) 图中的颜色标注见 (c)。

光学响应的演化是本文的核心之一。在低氧含量时，TiON仍表现为典型金属，其介电常数实部在可见区发生一次零点交叉；而在高氧含量条件下，材料出现双零介电常数（double-ENZ）行为，即介电常数在两个波长处跨越零点。这种异常色散意味着材料可以在更宽波段内实现强场增强和吸收，为宽带光热转换提供了新的物理机制。

图4. 对数坐标下 (a) 电阻率、(b) 载流子浓度以及 (c) 霍尔迁移率随压力变化的标量关系图，分别对应于 TiN（真空）和 TiON（0.8–2 Pa）薄膜。 对应地，反射光谱显示，随着氧含量增加，反射谷逐渐红移并显著展宽，同时近红外反射降低，整体吸收增强。特别是在出现双ENZ行为的样品中，吸收并非简单由损耗决定，而是由介电函数实部和虚部的协同作用产生，从而在较宽光谱范围内实现高吸收效率。

图5. (a) TiN（真空）和 TiON（0.8–2 Pa）的介电常数实部及 (b) 虚部。(c) TiN 和 TiON 薄膜在紫外–可见–近红外（UV–vis–NIR）波段的光学反射率，其中 800–900 nm 范围内的光谱因 870 nm 处探测器切换而进行了平滑处理。(d) 由傅里叶变换红外（FTIR）测量得到的中红外（MIR）波段光学反射率。 在此基础上，文章进一步构建了一个基于TiON的多层结构（IMIM结构）。通过将高反射TiN作为底层、AlN作为介质层、双ENZ TiON作为吸收层，并引入额外的匹配层优化阻抗，实现了无需纳米图案的宽带选择性吸收器。最终结构在太阳光波段吸收率达到约91%，同时在中红外保持约80%的反射，并在大入射角下仍具有稳定性能，体现出良好的工程应用潜力。

图6. (a) 所制备 IMIM 结构在紫外–可见–近红外（380–1750 nm）波段的实验光吸收率，并与太阳光谱辐照度（ASTM AM 1.5）进行对比。同时给出了以体材料和超薄 D-ENZ TiON 薄膜作为吸收金属时最优 IMIM 结构的模拟吸收光谱。(a) 图插图为 IMIM 堆叠结构的截面 SEM 图。(b) 由 FTIR 测量得到的 IMIM 结构在中红外（4000–22500 nm）波段的反射率、吸收率和透射率。(d) IMIM 结构在不同入射角（45°–80°）下的实验吸收率。

结论与展望

这项工作提出了一种基于TiN/TiON体系的光谱选择性吸收新策略，其核心在于通过氧含量调控，实现材料从金属到弱金属再到复杂复合态的连续调节，并利用由此产生的双零介电常数行为来增强光吸收。相比传统依赖复杂纳米结构的方案，该方法完全基于薄膜工艺，不需要光刻或后处理，具有明显的工艺优势。研究表明，TiON材料不仅能够在可见—近红外波段实现宽带吸收，同时在中红外保持较高反射，从而有效抑制热辐射损失。在器件层面，通过合理设计IMIM多层结构，实现了约91%的太阳吸收效率和良好的角度稳定性。更重要的是，这种基于材料本征光学调控的思路，为高温太阳热利用提供了一种可扩展、低成本的实现路径。整体来看，这项工作在材料设计与光谱工程之间建立了清晰联系，对于发展高效、稳定的太阳热吸收器具有重要参考价值。