北理工團隊在動態(tài)熱輻射調(diào)控研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-09-18 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學物理學院汪洋研究員、李家方教授團隊在動態(tài)熱輻射超表面研究方面取得重要進展，該工作基于納米剪紙結(jié)構(gòu)通過多物理場調(diào)控的方式實現(xiàn)了紅外熱輻射的強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基金委、國家重點研發(fā)計劃和北京市自然科學基金的資助。
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、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和技術(shù)問題。
在本工作中，研究團隊探究了螺旋線型、風車線型等剪紙結(jié)構(gòu)在靜電力場、機械應(yīng)力場等的作用下的三維力學形變特征，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現(xiàn)，并可以后續(xù)通過向下施加壓應(yīng)力實現(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行，通過外界物理場可以實現(xiàn)剪紙結(jié)構(gòu)強烈的變形和扭曲，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)。研究團隊分別通過兩種途徑在實驗上證明了這一強大的熱輻射調(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)射強度，通過對周期、線長、線寬的優(yōu)化設(shè)計，可以實現(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移而降低，直到達到最大電壓，這時納米結(jié)構(gòu)的屈服強度和靜電力作用達到最大平衡狀態(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，從而實現(xiàn)高效的熱管理。為了證明這種能力，研究團隊設(shè)計了一種聚合物嵌合的具有風車形狀的納米剪紙熱管理器件（圖3）。風車結(jié)構(gòu)可以在應(yīng)力引導(dǎo)下實現(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車結(jié)構(gòu)的熱發(fā)射光譜。當二維狀態(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)嵌進彈性聚合物中實現(xiàn)的。
圖2. 螺旋線形動態(tài)熱輻射超表面器件的實現(xiàn)
圖3. 風車線形動態(tài)熱管理器件的實現(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、多維度光學性質(zhì)調(diào)節(jié)和多種材料兼容的優(yōu)點。本工作證明了可以通過靜電力或機械應(yīng)力對納米剪紙結(jié)構(gòu)的紅外響應(yīng)進行動態(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、強度和其他光學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)證明器件既可以獨立調(diào)節(jié)輻射強度，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。基于此，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。
北京理工大學物理學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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