超黑碳气凝胶材料的热电子效应研究

The studies on super-black behaviors could be regarded as the pursuit of the extreme ‘Yin’ in the Chinese philosophy. Previously our group found that the reflectivity of carbon aerogels is most affected by their smallest structure. An indirect interaction model among the electromagnetic wave, electrons and subwavelength structure was introduced to understand the phenomenon. The most important hypothesis in this model is the hot electron production affected by strong inter-electron collisions under the confinement condition. In this project, we plan to adjust the single structural parameters focusing on microstructure and density; prepare the super-black carbon aerogels with suitable form according to the physics design; experimentally demonstrate the hot electron absorption effect, energy transfer of hot electrons and hot-electron-coupling enhancement effect of super-black carbon aerogels. The studies on hot electron effects would enhance the understanding of the interaction between subwavelength-structured super-black materials and the electromagnetic wave, and also help to expand the applications of super-black materials.

超级黑性质的研究可以被认为是对中国哲学中极“阴”的追求。课题组之前发现超黑碳气凝胶中最小的微结构对反射率的影响最大，提出了电磁波-电子-微结构的间接相互作用假说。其中，受限条件下电子间剧烈碰撞产生热电子是该假说中关键的环节。本项目拟围绕微结构和密度这两个性质，实现单一结构参数的连续调控，并根据物理设计制备合适形态的超黑碳气凝胶，分别通过实验验证超黑碳气凝胶材料中热电子吸收效应、热电子能量转化途径和热电子耦合增强效应。对热电子效应的研究将加深对亚波长结构超黑材料与电磁波相互作用的理解，并有助于扩展超黑材料的应用范围。

超黑碳气凝胶中最小的微结构对反射率影响最大，因此提出了电磁波-电子-微结构的间接相互作用机理。其中，电子在受限条件下产生的热电子效应最为重要。因此，本项目围绕热电子效应研究了以下内容。第一，通过调控溶胶-凝胶过程，结合提拉镀膜、3D打印、高温碳化、常温常压激光辅助碳化等技术，实现了不同宏观形态和微结构的超黑碳气凝胶的制备。例如：密度为42～328 mg/cm3，反射率为0.5%～2.1%的具有不同微结构的超黑碳气凝胶块体；比表面积为613 m2/g，吸收率为95.34%的3D打印木堆结构超黑碳气凝胶；厚度为400 nm的超黑碳气凝胶薄膜；吸收率为99.01%的仿生超黑泡沫材料。同时，通过高温和常温常压激光辅助二氧化碳活化技术，实现了碳气凝胶的微孔孔容和比表面积的显著提升。第二，在可见光激发下，观察到了超黑碳气凝胶的外光电效应和等离子体化效应以及同频条件下入射光强与反射率之间的非线性现象，证实了超黑碳气凝胶中微结构诱导的光生热电子的存在。第三，通过将碳气凝胶置于钙钛矿太阳能电池的电子传输层和光敏层之间，使碳气凝胶中的光生热电子能量转移到钙钛矿上，实现了最高11.1%的光电流增益和4.1%的光电转换效率提升，验证了超黑碳气凝胶中微结构诱导的光生热电子的存在。第四，发现了超黑碳气凝胶中由成分和结构导致的本征的负介电常数、负磁导率和负电阻-温度系数，通过部分碳化和晶化方法实现了超黑碳气凝胶从低损电介质、高损电介质向简并半导体的转变。第五，将超黑材料中的热电子效应应用于光热转化、传感和相变储热等领域。3D打印碳气凝胶实现了1.57 kg/(m2 h)的水蒸发速率和88.38%的光热转化效率；激光碳化的S型和雷纹型传感器实现了对温度和形变超灵敏的响应（0.12%/mW和0.08%/mW）；相变储能薄膜在严苛温度环境下实现了长达800 s的人体舒适温度维持时间。对超黑碳气凝胶中热电子效应的研究加深了对亚波长结构与电磁波相互作用的理解，扩展了超黑材料的应用范围。