基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却

2023年8月21日 浏览：845
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来源 | ACS Nano




01

背景介绍

黑体辐射具有高度不对称的连续光谱，完全依赖于表面温度，导致在频率或动量域塑造热发射光谱一度被认为是难以捉摸的任务。纳米光子学的进步，使热发射在动量域和频率域的调节成为可能。由于设计原理的复杂性，角度选择热发射比波长选择热发射更具挑战性。早期试图将热发射转向某一方向的尝试仅限于窄光谱或特定极化，导致当在整个光谱中平均时，它们的角选择性变得适中，因此它们的平均(8−14 μm)发射率(εave)和角选择性是名义的。因此尚未报道实质性的定向辐射冷却效应。此外，定向热发射器或辐射冷却器的实际用途仍然不清楚。

02

成果掠影

基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却的图2

近期，华中科技大学胡润副教授、韩国庆熙大学Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授团队制备了一种宽带定向辐射冷却器，在p和s极化中都具有高振幅侧发射。采用贝叶斯优化方法对其多维结构的变量进行优化，使目标光谱中的角选择性和总半球发射率εT达到最大。用标准半导体工艺精确制造了该结构。利用能量-动量色散揭示了定向发射的基本物理原理，定向发射在多个特殊的epsilon波长处达到峰值。作者发现，由于温室效应，全方位热发射器在封闭系统中可能无效。相比之下，该研究团队开发的侧发射热发射器即使在封闭系统中也能保持冷却性能。此外，它还可以为靠近光电器件的用户提供热舒适。相关研究成果以“Directional Radiative Cooling via Exceptional Epsilon-Based Microcavities”为题发表于《ACS Nano》。



03
图文导读

基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却的图3

图1 氧化物基热辐射器。(a ~ f) 模拟氧化物/金属膜(a、b)、独立氧化膜(c、d)和微结构独立氧化膜(e、f)的能量-动量色散和电磁能量分布。

基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却的图4

图2 SiO2/AlOX双壳中空微腔的设计与制备。

基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却的图5

图3 测量和模拟能量-动量色散。

基于特殊Epsilon微腔的定向辐射冷却的图6

图4 热舒适和辐射冷却实验。(a,b)热舒适实验。(a)实验装置示意图。每个样品(即SiO2/AlOX (100/100 nm)双壳HMs和碳带涂覆Si)连接到100°C的电加热器上。(b) ΔT值的时间变化(上表)和红外热像图(下表)。ΔT定义为θv = 60°和θv = 0°或30°的温度之差。(插图) SiO2/AlOX (100/100 nm)双壳HMs和碳带包覆Si的物体温度角分布。在θv = 0°时，将红外热成像图像归一化为碳涂层掩膜的最大强度。(c,d)辐射冷却实验。(c)每个样品温度的时间变化。(上面板)时变输入电压信号。(d)相对于裸Si在12、14和16 V时的温度还原值。误差条表示三个独立测量在每个周期结束前30秒获得的标准偏差值。


END



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