基于MXene（Ti3C2Tx）的超材料吸收器

論文信息：

Abida Parveen,Deepika Tyagi,Vijay Laxmi,Naeem Ullah,Faisal Ahmad,Ahsan Irshad,Keyu Tao and Zhengbiao Ouyang,Next-Generation Light Harvesting: MXene Ti3C2Tx-Based Metamaterial Absorbers for a Broad Wavelength Range from 0.3 μm to 18 μm, Materials, 3273 (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/ma18143273

研究背景

隨著5G通信和無線技術的迅猛發展，電磁波（EMW）能量的寬帶管理成為關鍵挑戰。傳統吸波材料（如碳基材料、磁性金屬）存在帶寬窄、制備工藝復雜、環境適應性差等缺陷。MXenes（如Ti3C2Tx）作為新型二維材料，憑借高導電性、親水性、生物相容性及大比表面積成為理想候選。然而，其高導電性易導致電磁波反射，限制實際效率。超材料（Metamaterials）通過人工結構調控電磁響應，在完美吸波體（MPAs）設計中展現潛力，但現有結構仍受限于帶寬不足、成本高及設計復雜。因此，開發兼具超寬帶、高吸收率、環境魯棒性的MXene基吸波體是當前研究焦點。

研究內容

本文研究通過有限差分時域（FDTD）模擬，設計了基于Ti3C2Tx MXene和Al2O3襯底的超材料吸收器，實現了0.3 μm（紫外）至18 μm（遠紅外）的寬波段高吸收，并系統分析了其結構優化、吸收機制及應用潛力。

本文首先進行了吸收器結結構設計。研究設計的吸收器采用“MXene/Al2O3”層狀結構，如圖1所示，MXene層厚度為8 μm，Al2O3襯底厚度為1 μm，單元結構周期為5 μm（px=py=5μm）。其中，Al2O3的介電常數取自Palik數據庫，Ti3C2O2的光學參數基于實驗數據（包含折射率的實部和虛部）。該結構采用多層MXene（而非單層），原因是多層結構可提升導電性和機械穩定性，更接近實際制備（如真空沉積或旋涂）的薄膜特性。模擬中采用周期性邊界條件（x、y方向）和完美匹配層（PML，z方向），并在MXene與Al2O3界面設置0.1 nm×0.1 nm×0.1 nm的精細網格，以準確捕捉近場相互作用。

圖1. 三維MXene基超材料吸收器結構示意圖；其中Lx=5μm，Ly=5μm，Al2O3的厚度hAl2O3=1 μm，MXene的厚度hMXene=8 μm。

然后本文分析了吸收性能模擬結果。寬波段高吸收特性根據模擬結果可知，單獨Al2O3襯底的吸收效率極低，如圖2(a)所示，而MXene與Al2O3的組合實現了顯著增強，Ti3C2O2基吸收器在0.3-18 μm波段的吸收效率超過95%，Ti3C2F2和Ti3C2(OH)2變體的吸收效率也保持在85%以上，如圖2(b)所示。同時，反射率和透射率被有效抑制（透射率接近0），表明能量幾乎被完全吸收。

圖2. (a) 僅氧化鋁（Al2O3）的吸收光譜；(b) 氧化鋁與MXene（Ti3C2O2）對應的吸收、反射和透射光譜。

其高吸收性能源于三種協同機制，本文通過電場和磁場分布得以驗證，其一是表面等離子體共振（SPR），在可見光-近紅外波段（0.3-2 μm），MXene表面的高載流子濃度激發SPR，使電場在MXene-Al2O3界面強烈局域，如圖3(a)和圖4(a1)所示，增強光-物質相互作用；其二為法布里-珀羅（FP）共振，在中紅外-遠紅外波段（2-18 μm），MXene與底部金屬層形成諧振腔，入射光經多次反射形成駐波，如圖3(b)和圖4(a2)所示，滿足“腔厚=λ/2×m（m為整數）”的共振條件，延長光在腔內的傳播路徑；其三為阻抗匹配，通過優化MXene厚度和Al2O3介電特性，吸收器的有效阻抗接近自由空間阻抗（377Ω），反射率降至最低，如圖2(b)所示，確保能量高效耦合。

圖3. (a、b)為MXene與Al2O3界面處x-y平面內的電場和磁場分布圖案；(c、d)為MXene上表面x-y平面內的電場和磁場分布圖案。

圖4. 超材料吸收器在不同波長下的電場和磁場強度分布；上排(a1-a3)顯示不同波長下的電場強度；下排(b1-b3)展示不同波長下的磁場強度。

其次本文研究進行了結構參數優化，通過調整MXene的表面官能團、形狀、尺寸和厚度，系統優化吸收性能。首先表明官能團的影響，不同表面官能團的MXene吸收性能差異顯著，如圖5所示，Ti3C2O2的氧官能團提升導電性，實現> 95%的吸收，是最優選擇；Ti3C2F2的氟官能團增強疏水性和穩定性，吸收效率約90%；Ti3C2(OH)2的羥基官能團提高親水性和生物相容性，但導電性較低，吸收效率約85%。其次是形狀的影響，MXene形狀對吸收帶寬影響顯著，如圖6所示，圓形結構的對稱性高，支持各向同性等離子體模式，在0.3-18 μm保持穩定吸收（>90%）；矩形、十字形、Y形結構的邊緣導致輻射損耗，長波（>12 μm）吸收效率降至70%以下。再次是尺寸與厚度的影響，MXene 半徑尺寸從0.5 μm增至2.5 μm時，如圖7(a)所示，電場分布范圍擴大，支持更多共振模式，吸收帶寬從5 μm拓寬至18 μm；當MXene厚度減少時如圖7(b)所示，短波段（<5 μm）吸收增強（歸因于SPR增強）；當厚度增加時，長波段（>10 μm）吸收更顯著（歸因于FP共振強化）。最后是角度與偏振穩定性，吸收器在入射角度≤70°時，吸收效率仍保持>90%，如圖8(a)所示；且對偏振角不敏感，如圖8(b)和(c)所示，這源于對稱結構和局域共振模式（如SPR和FP共振）的角度獨立性，適合實際應用中復雜的光照條件。

圖5. (a)不同MXene層的吸收光譜，(b)以銀（Ag）、金（Au）、鎳（Ni）和鎢（W）作為底部金屬層的MXene基超材料吸收器的吸收光譜。

圖6. 不同MXene形狀的吸收光譜

圖7. (a) 不同MXene半徑下的吸收光譜；(b) 不同MXene厚度下的吸收光譜。

圖8. 基于MXene的超材料吸收器吸收性能的角度和偏振依賴性；(a) 熱圖顯示吸收隨入射角的變化，表明在入射角高達70°時仍保持高吸收；(b) 不同方位角下吸收光譜的熱圖；(c) 不同偏振角下的吸收光譜；由于其對稱結構和穩定的共振機制，該吸收器表現出強烈的角度不敏感性和偏振不敏感性。

最后本文與現有吸收器進行了性能對比。本研究的MXene基吸收器在以下三方面具有顯著優勢，其一是帶寬方面，0.3-18 μm，覆蓋紫外至遠紅外，遠超石墨烯-金屬雜化材料（2-10 μm）和碳納米管吸收器（0.8-1.6 μm）；其二是結構方面，結構簡單無需外部偏壓或多層堆疊，優于金屬-介質-金屬（MDM）結構；其三是柔韌性方面，MXene的層狀結構賦予良好柔性，適合可穿戴設備，優于剛性過渡金屬氧化物（TMO）吸收器。

結論與展望

綜上所述，本文研究設計的Ti3C2TxMXene/Al2O3超材料吸收器，通過FDTD模擬驗證了其在0.3-18 μm波段的高效吸收性能（Ti3C2O2吸收率>95%）。其寬波段機制，SPR（短波段）、FP共振（中長波段）與阻抗匹配的協同作用，實現全光譜覆蓋；其將結構優化，通過調控MXene表面官能團、形狀（圓形最優）、尺寸（半徑2.5 μm、厚度8 μm），平衡吸收效率與帶寬；其實用性，Al2O3襯底兼具支撐和封裝功能，提升MXene的環境穩定性，且結構簡單易制備（如旋涂、真空沉積）。MXene基超材料吸收器為寬波段光捕獲和電磁管理提供了新方案，有望推動下一代光電子和能源技術的發展。