北理工團隊在超表面智能變輻射技術方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-09-19 供稿：材料學院 李靜波 攝影：材料學院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學材料學院李靜波和金海波教授團隊在超表面智能變輻射技術方面取得重要進展,。相關研究以“Temperature-adaptive metasurface radiative cooling device with excellent emittance and low solar absorptance for dynamic thermal regulation”為題在國際知名期刊《 Advanced Photonics 》上發(fā)表,。
在全球能源日益緊張的背景下，對高能效,、綠色節(jié)能和智能溫度管理方案的需求變得愈加迫切,。輻射制冷（Radiative cooling）作為一種新興的綠色無源被動制冷技術，近年來備受關注,。該技術能夠反射大量太陽輻射熱（即材料具有高的太陽反射率）,，同時通過大氣窗口（8 ~ 14μm）使地球表面上的物體向溫度為3 K的外太空輻射熱量實現(xiàn)降溫（即材料具有高發(fā)射率），有助于緩解日益嚴峻的能源危機,。然而,，已報道的被動輻射制冷材料多為靜態(tài)發(fā)射率材料，意味著在低溫環(huán)境下,，這些材料依然保持強的輻射能力,，容易引發(fā)“過制冷”現(xiàn)象，從而加劇供暖系統(tǒng)的能耗,。
為解決“過制冷”問題,，發(fā)射率動態(tài)可調的輻射制冷材料和器件應用而生。這類材料和器件能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化調節(jié)發(fā)射率,，實現(xiàn)“高溫-制冷”和“低溫-保暖”的動態(tài)熱管理效果,。其中，熱致變色二氧化釩（VO2）材料結合非對稱法布里-珀羅（F-P）諧振腔設計的輻射制冷器件（Temperature-adaptive radiative cooling device,，ATRD）能夠自發(fā)響應環(huán)境溫度變化而調節(jié)發(fā)射率,，被認為是一種極具前景的動態(tài)熱管理解決方案。然而,，VO2材料對太陽光具有高吸收率,，這導致ATRD器件在實現(xiàn)低太陽能吸收率和高熱紅外發(fā)射率之間相互制約，即提高發(fā)射率會增加太陽能吸收率,，反之亦然,，限制了其應用潛力,。
針對上述問題，北京理工大學李靜波和金海波教授團隊采用VO2超表面策略,，設計并制備了一種溫度自適應的超表面輻射制冷器件（Temperature-adaptive metasurface radiative cooling device，ATMRD）,。通過超表面設計,，不僅實現(xiàn)了發(fā)射率性能的進一步提升，同時顯著降低了太陽吸收率,，從而完美解決了低太陽能吸收率與高熱紅外發(fā)射率性能之間的相互制約問題,。與傳統(tǒng)的ATRD相比，ATMRD的太陽吸收率降低了7.54%,，而高溫發(fā)射率提高了13.3%,。設計的ATMRD器件展現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)輻射熱管理能力，器件工作示意圖如圖1所示,。
圖1 VO2超表面自適應輻射控溫器工作示意圖
本研究設計的溫度自適應輻射制冷器件由三層結構組成：底部為對可見-紅外高反射的金屬層,、中間為紅外高透過的介質層，頂部為紅外透過率可調的VO2層（見圖2a）,。研究者首先使用Tfcale光學軟件對器件進行模擬,，確定了最佳的結構組合為Ag/HfO2/VO2（命名為ATRD器件）。在此基礎上,，研究者將頂部的連續(xù)VO2膜設計為周期性方形結構（命名為ATMRD器件,，見圖2c, d），利用Ansys Lumerical FDTD軟件建立了結構單元的模型,。通過系統(tǒng)模擬,，研究評估了方形單元的邊長 L 和單元間隙寬度 G 對器件太陽吸收率和發(fā)射率的影響。模擬結果表明,，當 L 為4 μm,， G 為1 μm（L4-G1）時，ATMRD器件能夠實現(xiàn)太陽吸收率和發(fā)射率的最佳協(xié)同優(yōu)化（見圖2e, f）,。
圖2 (a),、(c) ATRD 和 ATMRD 示意圖。(b) 理想溫度自適應輻射冷卻工作圖,。(d) 設計的 ATMRD 的表面圖案尺寸和橫截面圖,。(e)、(f) ATRD 和 ATMRD 之間模擬的太陽吸收率和熱發(fā)射率的比較,。藍線代表低溫,，紅線代表高溫。
通過模擬確定了器件的最佳結構參數(shù)后,，研究者采用磁控濺射技術,，結合光刻-剝離工藝,，成功制備出了符合預期的溫度自適應超表面輻射制冷器件。器件的實物圖如圖3a所示,。形貌表征結果顯示,，制備出的器件各膜層結構致密、厚度均勻,，且各層膜之間結合緊密,。此外，器件表面微結構圖案規(guī)整,、均一,，與模擬設計結果高度一致。
圖3 ATMRD 器件的形貌,。(a)器件實物照片,，(b)截面SEM圖和EDS分布圖，(c)器件表面形貌SEM 圖片
輻射制冷器件的發(fā)射率和太陽能吸收率的表征結果（圖4）顯示,，ATRD和ATMRD器件的低溫發(fā)射率幾乎相近,，約為0.15，但ATMRD L4-G1,、L6-G1和L8-G1器件的高溫發(fā)射率（ ε H）分別達到0.85,、0.89、0.84,，比ATRD器件（ ε H="0.75）分別提高了13.3%,、18.7%和12.0%。L4-G1,、L6-G1和L8-G1器件的Δ ε 均超過0.7,，相較ATRD分別提升了20%、18.3%和18.3%,。此外,，ATMRD器件的太陽吸收率（ α sol）顯著低于ATRD器件，其中L4-G1結構的ATMRD器件在室溫下的太陽吸收率為27.71%,，較ATRD器件降低了7.54%,。這些結果證明，采用二氧化釩超結構不僅顯著提高了熱輻射器件的紅外發(fā)射率和調制性能,，還大大改善了其太陽吸收性能,。此外，論文采用FDTD電磁分析進一步揭示了VO2超表面激發(fā)多重電磁諧振增強高溫電磁吸收的改性機理（圖5）,。
圖4 不同溫度下的熱發(fā)射率光譜,、發(fā)射率的熱滯回線以及低溫和高溫下的太陽吸收率波譜。 (a),、(e),、(i) ATRD,、(b)、(f),、(j) ATMRD L4-G1,、(c)、(g),、(k) ATMRD L6-G1 和 (d),、(h)、(l) ATMRD L8-G1,。
圖5 ATMRD 電磁響應模型和L x -G1 器件的FDTD 模擬計算結果。(a) 結構單元x-z 截面,，(b) LC 等效電路示意圖,，(c) 平面結構ATRD 器件的電磁場分布圖，(d)-(h) L4-G1 樣品在不同入射波波長下的電磁場分布圖,，(i) L8-G1 樣品在4.5 μm 波長下的電磁場分布圖,，(j) 和(k) L10-G1 樣品在5.5 μm 和11 μm 波長下的電磁場分布圖
最后，研究人員對實驗制備的ATMRD器件進行了實際應用潛力評估,。圖6a和6b展示的模擬太陽光反射結果顯示,，VO2超結構設計有效降低了ATMRD器件的太陽能吸收率。與此同時,，圖6c和6d展示的紅外熱像儀結果表明,，ATMRD器件在低溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫性能，而在高溫環(huán)境下則具備良好的散熱效果,。此外,，器件的發(fā)射率對探測角度的依賴性較弱，進一步證明了其在不同應用場景中的穩(wěn)定性能,。這些評估結果表明,，ATMRD在實際應用中具有廣闊的前景。
圖6 ATMRD器件性能驗證實驗,。(a)模擬太陽光反射測試示意圖,，(b)不同器件在光源照射下的溫度變化，(c)變溫發(fā)射率測試示意圖,，(d)不同溫度的輻射熱圖,，(e)L4-G1在不同探測角度的輻射熱圖。
該成果通過模擬設計并利用磁控濺射沉積技術和微加工技術,，成功制備了基于VO2的自適應輻射控溫超結構器件（ATMRD）,。研究證明了VO2超結構可協(xié)同優(yōu)化基于F-P諧振腔結構的自適應輻射控溫器件的熱紅外發(fā)射率和太陽吸收率，闡明了超結構幾何參數(shù)對器件性能的影響規(guī)律,，揭示了超結構激發(fā)多諧振增強發(fā)射率性能的機理,。這些成果為VO2超結構功能器件的設計和開發(fā)提供了寶貴的理論基礎和實踐參考,。
北京理工大學材料學院2020級博士生楊俊林為第一作者，李靜波教授和金海波教授為本論文的通訊作者,。
全文鏈接：https://www.researching.cn/articles/OJab6cb507c477279e
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