北理工團(tuán)隊(duì)在動態(tài)熱輻射調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-09-18 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院汪洋研究員、李家方教授團(tuán)隊(duì)在動態(tài)熱輻射超表面研究方面取得重要進(jìn)展,，該工作基于納米剪紙結(jié)構(gòu)通過多物理場調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)了紅外熱輻射的強(qiáng)度和峰值波長的原位調(diào)控,，并探索了它在動態(tài)熱管理,、能源轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Thermal Emission Manipulation Enabled by Nano-Kirigami Structures”為題發(fā)表在Small期刊[Small, 2305171 (2023)]上,。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委,、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和北京市自然科學(xué)基金的資助。
熱輻射是一種普遍存在的基本物理現(xiàn)象,，并在照明,、溫度管理、能源利用,、熱成像等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用從而引起廣泛的研究興趣,。根據(jù)基爾霍夫定律，任何物體的熱發(fā)射率由其光吸收率決定,。這一發(fā)射率和吸收率的等價關(guān)系表明,，熱輻射的時間、空間,、光譜特性可以通過材料的選擇和微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)調(diào)控,。隨著納米技術(shù)在近二十年的快速發(fā)展，科學(xué)家們利用超表面材料在熱輻射的光譜分布,、方向性,、偏振等靜態(tài)特性的設(shè)計方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。但是,，在熱輻射的隨時間響應(yīng)的動態(tài)操控方面的手段還十分有限,，多數(shù)的動態(tài)操控方法在輻射強(qiáng)度和光譜分布方面的調(diào)控范圍和調(diào)控維度較小，同時受到器件本身材料或結(jié)構(gòu)的限制而操控方式局限于特定的一種方式,，亟需發(fā)展一種調(diào)制能力強(qiáng),、調(diào)制維度多、調(diào)制方式多的新型熱輻射操控手段,。
在眾多的超表面材料中,，納米剪紙超表面因其獨(dú)特而多樣的驅(qū)動方式以及可重構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[Nat. Commun. 12, 1299 (2021); Adv. Opt. Mater. 11, 2202150 (2023)]，而成為動態(tài)熱輻射調(diào)控的理想平臺,?；诰劢闺x子束的納米剪紙技術(shù)經(jīng)過近十年的發(fā)展已經(jīng)成為一種新型的三維微納加工方式[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018); Light Sci. Appl. 9, 75 (2020); Nanophotonics 12,1459 (2023)]。這種技術(shù)可以制造精細(xì)的二維平面圖形,，并使平坦的薄膜結(jié)構(gòu)形變?yōu)榱Ⅲw扭曲的三維結(jié)構(gòu),，從而突破傳統(tǒng)自上而下、自下而上,、自組裝等微納加工技術(shù)在結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,、復(fù)雜性、動態(tài)調(diào)諧等方面的局限性，為設(shè)計新穎的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了一種新手段,。不過,，在面向熱輻射調(diào)控應(yīng)用時，納米剪紙超表面在選擇性輻射特性設(shè)計,、大單元尺寸結(jié)構(gòu)制造等方面仍存在諸多待探索的科學(xué)和技術(shù)問題,。
在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)探究了螺旋線型,、風(fēng)車線型等剪紙結(jié)構(gòu)在靜電力場,、機(jī)械應(yīng)力場等的作用下的三維力學(xué)形變特征，并觀察其在中紅外波段的動態(tài)光譜響應(yīng)特性,。如圖1所示,，納米剪紙陣列構(gòu)建在金屬/氧化硅/硅襯底上。研究人員在金屬膜上像剪紙一樣刻蝕精心設(shè)計的曲線,，然后對底部氧化硅進(jìn)行選擇性濕法蝕刻,，從而獲得懸空的二維剪紙結(jié)構(gòu)。制備的二維平面結(jié)構(gòu)可以在兩個方向上“折疊”,，即向上和向下,。向下的形變模式可以由靜電力引起，向上的變形可以通過離子束的全局輻照來實(shí)現(xiàn),，并可以后續(xù)通過向下施加壓應(yīng)力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動態(tài)回復(fù)調(diào)制,。超表面的熱發(fā)射率調(diào)制主要通過金屬狹縫的動態(tài)等離激元共振模式進(jìn)行，通過外界物理場可以實(shí)現(xiàn)剪紙結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的變形和扭曲,，而這些形變引起的線狀狹縫的尺寸變化,，能夠在中紅外波段產(chǎn)生顯著的等離激元光學(xué)調(diào)制效果。
圖1. 納米剪紙熱輻射超表面器件設(shè)計
納米剪紙結(jié)構(gòu)的三維變形不僅能夠引起紅外共振吸收/發(fā)射強(qiáng)度的變化,，還能夠引起共振吸收和發(fā)射波長的變化,。這些趨勢與剪紙構(gòu)造的形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動模式密切相關(guān),。研究團(tuán)隊(duì)分別通過兩種途徑在實(shí)驗(yàn)上證明了這一強(qiáng)大的熱輻射調(diào)控能力,。圖2展示了一種螺旋線形熱輻射剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)適用于電調(diào)制并能夠調(diào)制發(fā)射強(qiáng)度,，通過對周期,、線長、線寬的優(yōu)化設(shè)計,，可以實(shí)現(xiàn)中紅外波段任意波長的窄帶熱發(fā)射,。在金層和底部硅層之間施加電壓后,，螺旋結(jié)構(gòu)將在靜電力的作用下向下變形,，導(dǎo)致熱發(fā)射率和輻射強(qiáng)度的變化。隨著電壓的增加，螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)射率峰值隨著波長的輕微藍(lán)移而降低,，直到達(dá)到最大電壓,，這時納米結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和靜電力作用達(dá)到最大平衡狀態(tài)。
納米剪紙熱輻射器件還可以動態(tài)控制熱輻射的波長范圍和可見光的透射/吸收,，從而實(shí)現(xiàn)高效的熱管理,。為了證明這種能力，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一種聚合物嵌合的具有風(fēng)車形狀的納米剪紙熱管理器件（圖3）,。風(fēng)車結(jié)構(gòu)可以在應(yīng)力引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)大的扭轉(zhuǎn)變形,。一方面，在可見波段,，它可以像窗口一樣動態(tài)反射或接收太陽能,。隨著變形高度的增加，納米窗口打開,，窗口面積繼續(xù)增加,，導(dǎo)致可見光透射和吸收增加。通過在底部設(shè)計摻雜的硅或其他吸收材料,，該裝置可以有效地控制太陽能的吸收,。另一方面，在紅外波段,，風(fēng)車結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)熱輻射的峰值波長,。圖3中顯示了具有不同變形高度的風(fēng)車結(jié)構(gòu)的熱發(fā)射光譜。當(dāng)二維狀態(tài)下可以使納米結(jié)構(gòu)的發(fā)射峰位于大氣窗口的波長范圍內(nèi),，而三維狀態(tài)下使發(fā)射波長在大氣窗口之外,，這種動態(tài)的調(diào)控是通過將剪紙結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌進(jìn)彈性聚合物中實(shí)現(xiàn)的。
圖2. 螺旋線形動態(tài)熱輻射超表面器件的實(shí)現(xiàn)
圖3. 風(fēng)車線形動態(tài)熱管理器件的實(shí)現(xiàn)
基于納米剪紙超表面的動態(tài)熱輻射調(diào)控系統(tǒng)具有多物理場調(diào)控,、多維度光學(xué)性質(zhì)調(diào)節(jié)和多種材料兼容的優(yōu)點(diǎn),。本工作證明了可以通過靜電力或機(jī)械應(yīng)力對納米剪紙結(jié)構(gòu)的紅外響應(yīng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，該結(jié)構(gòu)同時也適用于熱致應(yīng)力,、氣動力,、磁致應(yīng)力等多種調(diào)控方式。另一方面,，納米剪紙熱輻射調(diào)控系統(tǒng)在波長,、強(qiáng)度和其他光學(xué)特性方面提供了多維度的調(diào)節(jié)能力。在本工作中已經(jīng)證明器件既可以獨(dú)立調(diào)節(jié)輻射強(qiáng)度,，也可以在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輻射峰值波長,。由于特殊的線性設(shè)計帶來的三維扭轉(zhuǎn)變換，納米剪紙結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)熱輻射的相位,、手性,、方向方面也極具潛力。此外，該納米剪紙微機(jī)械系統(tǒng)并不局限于單一材料,，金,、銀、鋁,、半導(dǎo)體,、相變材料等均可?；诖?，我們可以根據(jù)輻射冷卻、太陽能利用,、熱偽裝等多種應(yīng)用場景和環(huán)境的需要,，選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)和調(diào)控方式進(jìn)行器件設(shè)計,。綜上,，基于納米剪紙結(jié)構(gòu)的超表面熱輻射調(diào)控器件具有靈活的光譜調(diào)節(jié)能力和獨(dú)特多樣的動態(tài)調(diào)節(jié)方法，是可重構(gòu)熱輻射的理想操控平臺,，有望在能源轉(zhuǎn)換,、熱偽裝等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生趙英浩和梁清華為論文的共同第一作者,，北京理工大學(xué)汪洋研究員,、李家方教授為共同通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202305171
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