مقالۀ پژوهشی: شبیه‌سازی و ساخت پوشش انتخابگر طیفی دی‌اکسید زیرکونیوم/طلا/‌دی‌اکسید زیرکونیوم

مطهری, حمید; اله پور, مجتبی

doi:10.22051/ijap.2024.48643.1431

مقالۀ پژوهشی: شبیه‌سازی و ساخت پوشش انتخابگر طیفی دی‌اکسید زیرکونیوم/طلا/‌دی‌اکسید زیرکونیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، دانشکدۀ فیزیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

² دانش‌آموختۀ کارشناسی ارشد فیزیک، دانشکدۀ فیزیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

10.22051/ijap.2024.48643.1431

چکیده

استفاده از شیشه‌های بازتاب‌کننده حرارت در سال‌های اخیر با هدف کاهش مصرف انرژی الکتریکی مورد نیاز در خنک‌سازی ساختمان‌ها و کاهش ناترازی برق، مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، بررسی نظری و تجربی پوشش‌های چند لایه بر روی شیشه‌ با هدف جلوگیری از ورود تابش حرارتی مادون قرمز و کنترل تابش در محدوده مرئی، تحت عنوان انتخابگر طیفی بررسی شده است. با بهره‌گیری از مبانی نظری ساختارهای لایه‌نازک چندلایه، ساختار سه لایه دی‌اکسید زیرکونیوم/ طلا/ دی‌اکسید زیرکونیوم بر روی شیشه شبیه‌سازی شده و سپس به روش باریکه الکترونی ساخته شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که این ساختار سه لایه‌ای در ضخامت‌های در حدود 160 نانومتر برای ZrO₂ و ضخامت پوشش طلا در حدود 20 نانومتر، گزینه مناسبی است. نمونه واقعی ساخته شده در آزمایشگاه برای سطح پوشش‌دهی شده سه‌لایه‌ای با ضخامت 160/20/160 نانومتر، به خوبی با طیف نمونه‌های شبیه‌سازی شده برابری می‌کند و انحراف جزیی ناشی از منابع خطای آزمایشی وجود دارد. نمونه شبیه‌سازی شده و ساخته‌شده، در ناحیه طیفی 500 تا 700 نانومتر مرئی دارای بیش از 50 درصد عبوردهی و در میانه طول موج مرئی دارای قلّه عبوردهی بیش از 70 درصد بوده است. همزمان، در ناحیه طیف مادون قرمز نزدیک برای طول موج 750 نانومتر تا 1100 نانومتر، دارای عبور کمتر از 20 درصد بوده است. بنابراین، این ساختار برای استفاده به عنوان بازتاب‌کننده تابش حرارتی مادون قرمز، بسیار مناسب است. این ساختار یک شیشه انتخابگر طیفی است که می‌تواند به عنوان یک شیشه هوشمند برای مقاصد خنک‌سازی تابشی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

اپتیک

عنوان مقاله [English]

Research Paper: Simulation and Fabrication of Zirconium Dioxide/Gold/Zirconium Dioxide Spectrally Selective Coating

نویسندگان [English]

Hamid Motahari ¹
Mojtaba Allahpoor Fadafan ²

¹ Assistant Professor, Department of physics, Yazd University, Yazd, Iran

² MSc Graduated, Department of physics, Yazd University, Yazd, Iran

چکیده [English]

The use of heat-reflective glass has recently gained attention for its potential to reduce the electrical energy consumption required to cool buildings and mitigate electricity shortages. In this research, theoretical and experimental investigations of multi-layered coatings on glass, which is called spectrally selective glass, have been conducted. The aim was to prevent the entry of infrared thermal radiation and control radiation in the visible range. Using the theoretical method of multilayer thin film structures, the structure of three layers of zirconium dioxide/gold/zirconium dioxide has been simulated on glass and then made by the electron beam method. The simulations showed that this three-layer structure with a thickness of about 160 nm for ZrO₂ and a gold coating thickness of about 20 nm is a proper choice. The sample made in the laboratory for this structure with a thickness of 160/20/160 nm matches well with the spectrum of the simulated samples and there is a slight deviation due to experimental error sources. The simulated and fabricated sample has more than 50% transmittance in the visible spectral range from 500 to 700 nm. There is a transmittance peak of more than 70% in the center of the visible range. The transmittance is less than 20% in the near-infrared spectrum range for the wavelength of 750 nm to 1100 nm. Therefore, this structure is very suitable for use as a reflector of infrared thermal radiation. This structure is a spectrally selective glass that can be used as a smart glass for radiant cooling purposes.

کلیدواژه‌ها [English]

Spectrally Selective Coating
Smart Glass
Thermal Radiation
Infra-Red
Zirconium Dioxide

مراجع

[1] Guillén, C. and Herrero, "SnOx/Ag/SnOx heat-reflector coatings prepared by DC sputtering", SN Applied Sciences 2(10), 1717, 2020. https://doi.org/10.1007/s42452-020-03508-1

[2] Javed, F., Javed, S., Mujahid, M., ul Inam, F. and Bhatti, A.S., "Modified optical characteristics of TiO2/Au/TiO2 thin composite films", Ceramics International 45(17), 22336-22343, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.262

[3] Dalapati, G.K., Masudy-Panah, S., Chua, S.T., Sharma, M., Wong, T.I., Tan, H.R. and Chi, D., "Color tunable low cost transparent heat reflector using copper and titanium oxide for energy saving application", Scientific reports 6(1), 20182, 2016. https://doi.org/10.1038/srep20182

[4] Leftheriotis, G., Yianoulis, P. and Patrikios, D., "Deposition and optical properties of optimised ZnS/Ag/ZnS thin films for energy saving applications", Thin solid films 306(1), 92-99, 1997. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00250-2

[5] Hassan, M.F., Sagor, R.H., Tathfif, I., Rashid, K.S. and Radoan, M., "An optimized dielectric-metal-dielectric refractive index nanosensor", IEEE Sensors Journal 21(2), 1461-1469, 2020. http://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3016570

[6] Kim, S. and Lee, J.L., "Design of dielectric/metal/dielectric transparent electrodes for flexible electronics", Journal of Photonics for Energy 2(1), 021215-021215, 2012. https://doi.org/10.1117/1.JPE.2.021215

[7] Çetinkaya, Ç., Çokduygulular, E., Güzelçimen, F. and Kınacı, B., "Functional optical design of thickness-optimized transparent conductive dielectric-metal-dielectric plasmonic structure", Scientific Reports 12(1), 8822, 2022. https://doi.org/10.1038/s41598-022-13038-y

[8] Butt, M.A., Fomchenkov, S.A. and Khonina, S.N., "Dielectric-Metal-Dielectric (DMD) infrared (IR) heat reflectors", In Journal of Physics: Conference Series, 917(6), 062007. IOP Publishing, 2017. http://doi.org/10.1088/1742-6596/917/6/062007

[9] Ko, M., Lee, G., Kim, C., Lee, Y., Ko, J. and Song, H.J., "Dielectric/metal/dielectric selective reflector for improved energy efficiency of building integrated bifacial c-Si photovoltaic modules", Current Applied Physics 21, 101-106, 2021. https://doi.org/10.1016/j.cap.2020.10.008

[10] Nawade, A., Ramya, K., Chakrabortty, S., Bamola, P., Sharma, H., Sharma, M., Chakraborty, K., Ramakrishna, S., Biring, S., Wong, T.K.S. and Kumar, A., "Copper based transparent solar heat rejecting film on glass through in-situ nanocrystal engineering of sputtered TiO2", Ceramics International 48(2), 2482-2491, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.10.030

[11] Xu, K., Du, M., Hao, L., Mi, J., Lin, Y., Li, S., Wang, J. and Deng, X., "Optical optimization and thermal stability of SiN/Ag/SiN based transparent heat reflecting coatings", Infrared Physics & Technology 122, 104089, 2022. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2022.104089

[12] Nur-E-Alam, M., Vasiliev, M. and Alameh, K., "Dielectric/metal/dielectric (DMD) multilayers: growth and stability of ultra-thin metal layers for transparent heat regulation (THR)", In Energy Saving Coating Materials, 83-112. Elsevier, 2020. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822103-7.00004-2

[13] Martin, P.M., Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology. William Andrew, 2009.

[14] Howari, H. and Uddin, I., "Variations in optical properties of ZnS/Cu/ZnS nanostructures due to thickness change of ZnS cap layer", Journal of Modern Materials 2(1), 25-30, 2016. https://doi.org/10.21467/jmm.2.1.25-30

[15] Pedrotti, F. L., , & Pedrotti, L. S., shikh-o-eslami, M (1993). Introduction to optics. prentice Hall, iup publications, 4th edition (1388)(in persain) https://doi.org/10.1017/9781108552493

[16] Daneshfar,N., Tabrizi, M., Amini-javid, S., "Study of optical of plasmonic nanoparticles on a dielectric substrate", Iran applied physics 8(1), 11-19, 2018. (in persain) http://doi.org/10.22051/jap.2019.20668.1098

[17] Johnson, P.B. and Christy, R.W., "Optical constants of the noble metals", Physical review B 6(12), 4370, 1972. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370

[18] Wood, D.L. and Nassau, K., "Refractive index of cubic zirconia stabilized with yttria", Applied Optics 21(16), 2978-2981, 1982. https://doi.org/10.1364/AO.21.002978