Plasmonics and Nanophotonics for Advancing Radiative Cooling

Titelangaben

Matsumori, Kishin:
Plasmonics and Nanophotonics for Advancing Radiative Cooling.
Bayreuth , 2023 . - X, 200 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00007331

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Abstract

Heat always flows from a hot to a cold object, and the temperature of the hot object decreases. This is true even though those objects are spatially separated since they exchange heat by thermal radiation. Such a cooling process is known as radiative cooling, which has gained considerable attention as an eco-friendly cooling technology. An object facing the sky can carry heat to the cold outer space, and the object's temperature passively decreases. This is because the atmospheric transparency window (ATW) locates in a wavelength range from 8 μm to 13 μm, and the blackbody radiation has an intensity peak in the ATW at ambient temperature (around 300 K). To maximize the cooling performance, the object must have absorption spectrally confined in the ATW. It is required to engineer the absorption properties of the object to obtain such selective absorption, and plasmonics and nanophotonics have been utilized as promising techniques for absorption engineering.

In this dissertation, in order to seek innovative approaches to absorption engineering for radiative cooling, I theoretically investigate plasmonic phenomena called electromagnetically induced transparency (EIT) and absorption (EIA). EIT and EIA originate from an optical interaction between two optical elements: one has a high optical loss, and another has a low optical loss. It is known that EIT and EIA can modulate and enhance the absorption of plasmonic systems. Those plasmonic phenomena have been widely investigated and utilized for various applications; however, they have not been applied to radiative cooling yet.

EIT is accompanied by mode splitting, in which a single peak absorption splits into two peaks by near-field interaction. This mode splitting of EIT may be beneficial for achieving broadband absorption since multiple absorption peaks are essential to widen the absorption bandwidth of a system. From this fact, I explore an approach to realizing selective absorption in the ATW by utilizing mode splitting. Using a finite element method (FEM) simulation, I design a semishell absorber, comprised of a dielectric SiO2 core partially covered with an indium tin oxide (ITO) shell. The SiO2 core supports a low-loss Mie resonance, and the ITO shell supports a high-loss localized surface plasmon (LSP). By optimizing structural parameters, the semishell absorber can possess a strong absorption only in the ATW. This broadband absorption is attributed to the fact that a mode splitting occurs in the LSP of the ITO shell. The mechanism of this mode splitting is elucidated by building quantitative models, showing that the LSP of the ITO shell strongly interacts with a magnetic dipole resonance of the SiO2 core.

EIA can dramatically enhance the absorption of plasmonic systems. Therefore, plasmonic systems that intrinsically have weak absorption may be improved by applying EIA. This kind of absorption improvement may increase the degree of freedom for absorption engineering. However, the mechanism of EIA is still unclear, as described in previous studies interpreting EIA in different ways. To utilize EIA for radiative cooling, a thorough understanding of EIA is essential. Thus, I establish theories that greatly expand the current knowledge of EIA. My theoretical investigations suggest that there are two different EIAs. One is characterized by absorption enhancement occurring in a low-loss optical element by near-field interaction. By designing a coupled-oscillator model, I find a critical parameter to describe this EIA and reveal the condition to maximize EIA. Another EIA is attributed to absorption enhancement occurring in a high-loss optical element. When a spatial distance between optical elements is comparable to a wavelength, intermediate-field interaction occurs with phase retardation. This phase retardation can excite constructive interference between the optical elements, amplifying an optical resonance of the high-loss optical element. Using the coupled-dipole method, I formulate this phase-retarded interaction, enabling us to find an optimal spatial distance to maximize EIA by intermediate-field interaction.

In addition, this dissertation addresses another approach to further advancing radiative cooling. Even though selective absorption in the ATW is realized, the cooling performance is severely degraded under high humidity since the atmosphere becomes opaque even in the ATW. It has been suggested that asymmetric light transmission (ALT) filters, which possess high transmission only on one-way light illumination, may be able to recover the cooling performance under high humidity. However, this approach remains controversial because thorough investigations of such ALT filters have not been given. In this dissertation, I focus on a representative ALT filter, a dielectric corner reflector (DCR), which has a one-dimensional triangular grating on one side. It has been understood that the DCR possesses ATW properties by total internal reflections (TIRs). However, the understanding of the DCR´s reflection has contained ambiguity since the effect of evanescent waves excited by TIRs has not been appropriately accounted for. Using the FEM simulation, I find that the evanescent waves can leak from the DCR, resulting in a reflection reduction. Based on this finding, I create a quantitative model, enabling us to optimize the DCR for a high-performance ALT filter.

Abstract in weiterer Sprache

Wärme fließt immer von einem wärmeren Objekt in Richtung eines kälteren Objekts und die Temperatur des warmen Objekts nimmt dabei ab. Dies trifft auch dann zu, wenn die Objekte räumlich voneinander getrennt sind, da die Wärme mittels Wärmestrahlung übertragen wird. Ein solcher Kühlungsprozess wird ,,radiative cooling (Strahlungskühlung)’’ genannt. Dieser Mechanismus hat als umweltfreundliche Kühlungstechnologie vermehrt an Aufmerksamkeit gewonnen. Ein Objekt, welches dem Himmel zugewandt ist, kann Wärme in das Weltall transportieren, dabei nimmt die Wärme des Objekts passiv ab. Dies ist der Fall, da das atmosphärische Fenster bei einer Wellenlänge von 8 μm bis 13 μm liegt und die Hohlraumstrahlung ihr Maximum im atmosphärischen Fenster bei Außentemperatur hat (ca. 300K). Um die Kühlungsleistung zu maximieren, muss das Absorptionsspektrum des Objektes auf das atmosphärische Fenster beschränkt sein. Um derartige selektive Absorptionseigenschaften zu erreichen, müssen diese dementsprechend konstruiert werden. Die Bereiche Plasmonik und Nanophotonik bieten vielversprechende Techniken hierzu.

In dieser Arbeit stelle ich theoretische Untersuchungen zu den plasmonischen Phänomenen der elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) und Absorption (EIA) an, um innovative Herangehensweisen an den Mechanismus des radiative cooling zu finden. EIT und EIA stammen von der optischen Interaktion zweier optischer Elemente: eines besitzt eine hohe optische Dämpfung, das andere eine niedrige. Es ist bekannt, dass EIT und EIA die Absorption von optischen Systemen modulieren können. Diese plasmonischen Phänomene sind bereits oft untersucht und in verschiedenen Bereichen eingesetzt worden, haben allerdings auf dem Gebiet des radiative cooling bisher noch keine Anwendung gefunden.

Bei EIT ist das sogenannte mode-splitting zu beobachten, wobei eine einzelne Absorptionsspitze durch Nahfeld-Interaktion in zwei Spitzen geteilt wird. Dies ist gegebenenfalls hilfreich dabei, Breitbandabsorption zu erreichen, da multiple Spitzen essenziell sind, um die Bandweite der Absorption eines Systems zu erweitern. Anhand dieser Tatsache untersuche ich die Möglichkeit, auf das atmosphärische Fenster begrenzte Absorption mithilfe von mode splitting zu erreichen. Ich entwerfe einen semi-shell absorber, bestehend aus einem dielektrischen SiO2-Kern, welcher teils mit einer Indium-Zinnoxid (ITO)- Schale bedeckt ist, anhand einer Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation. Der SiO2-Kern fördert eine Mie-Resonanz mit geringem Verlust, und die ITO-Schale bewirkt ein lokalisiertes Oberflächen-Plasmon (LSP) mit hohem Verlust. Indem die strukturellen Parameter optimiert werden, kann der semi-shell absorber so konstruiert werden, dass nur im atmosphärischen Fenster starke Absorption vorliegt. Diese Breitband-Absorption wird der Tatsache zugeschrieben, dass mode-splitting in dem LSP der ITO-Schale stattfindet. Der Mechanismus dieses mode-splitting wird durch die Entwicklung von quantitativen Modellen, welche die starke Interaktion des LSP der ITO-Schale mit einer magnetischen Dipol-Resonanz des SiO2-Kerns zeigen, verdeutlicht.

EIA kann die Absorptionseigenschaften von plasmonischen Systemen dramatisch erhöhen. Daher können Systeme, welche an sich schwache Absorptionseigenschaften besitzen, durch den Einsatz von EIA verbessert werden. Diese Art von Verbesserung der Absorption kann den Spielraum für die Konstruktion von Absorptionseigenschaften erhöhen. Allerdings ist der Mechanismus von EIA weiterhin unklar, wie aus Vorarbeiten, in welchen EIA unterschiedlich interpretiert wurde, ersichtlich ist. Um EIA für radiative cooling zu nutzen, ist ein umfangreiches Verständnis von EIA essenziell. Daher stelle ich Theorien auf, welche den aktuellen Wissensstand zu EIA deutlich erweitern. Meine theoretischen Untersuchungen suggerieren, dass es zwei verschiedene Arten von EIAs gibt. Eine von ihnen ist gekennzeichnet von einer Erhöhung der Absorption in einem optischen Element mit geringem Verlust durch Nahfeld-Interaktion. Anhand eines von mir entworfenen gepaarten Oszillator-Modells entdecke ich einen wesentlichen Parameter, um diese Art von EIA zu beschreiben und zeige die Bedingungen auf, unter denen EIA maximiert werden kann. Eine weitere Art von EIA kann in einem optischen Element mit hohem Verlust zu erhöhter Absorption führen. Wenn eine räumliche Distanz zwischen optischen Elementen mit einer Wellenlänge vergleichbar ist, findet die Zwischen-Feld-Interaktion mit einer Phasenverzögerung statt. Diese Phasenverzögerung kann eine konstruktive Einflussnahme zwischen den optischen Elemente zur Folge haben und die optische Resonanz des optischen Elements mit hohen Verlust erhöhen. Anhand der gekoppelten-Dipol-Methode konzipiere ich diese phasenverzögerte Interaktion, welche uns erlaubt, die optimale räumliche Distanz zur Maximierung von EIA mittels Zwischen-Feld-Interaktion zu finden.

Zusätzlich thematisiert diese Dissertation einen weiteren Ansatz, um Fortschritte im Bereich radiative cooling zu machen. Auch, wenn selektive Absorption im atmosphärischen Fenster realisiert wird, wird die Kühlungsleistung bei hoher Luftfeuchtigkeit deutlich gemindert, da die Atmosphäre auch im atmosphärischen Fenster lichtundurchlässig wird. Vorarbeiten weisen darauf hin, dass asymmetrische Lichttransmissionsfilter (ALT), welche eine hohe Übertragungsrate alleinig bei einseitiger Belichtung besitzen, die Kühlungsleistund bei hoher Luftfeuchtigkeit verbessern können. Allerdings bleibt dieser Ansatz umstritten, da gründliche Untersuchungen dieser Art von Filter bisher ausstehend sind. In dieser Arbeit befasse ich mich mit einem repräsentativen ALT-Filter, einem dielektrischen Ecken-Reflektor (DCR), welcher ein eindimensionales dreieckiges Gitter auf einer Seite besitzt. Es wurde dargelegt, dass der DCR die Eingenschaften des atmosphärischen Fenster durch die Summe der inneren Spiegelungen besitzt (TIRs). Allerdings gibt es Unklarheiten hinsichtlich der Spiegelungen des DCR, da der Effekt der flüchtigen Wellen, welche durch die TIRs ausgelöst werden, nicht ausreichend in Betracht gezogen wurde. Mithilfe der FEM-Simulation stelle ich fest, dass die schwindenden Wellen aus dem DCR austreten können, welches in einer Abnahme der Spiegelung resultiert. Auf Grundlage dieses Ergebnisses entwerfe ich ein quantitatives Modell, welches es uns ermöglicht, den DCR zu einem Hochperformance-ALT-Filter zu optimieren.