论文信息:
Guillaume Boudan, Etienne Eustache, Laurent Divay, Dominique Carisetti, Riccardo Messina, and Philippe Ben-Abdallah, Photonic Thermal Switch with Positive Differential Emissivity, ACS Photonics 10, 1021 (2024).
论文链接:
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01696
热管理是当前复杂工程系统中普遍关注的问题。增加电子设备的功率和组件密度需要越来越复杂的解决方案,这依赖于先进的材料和结构。因此,管理固体材料产生的热量对于众多技术的开发来说是一个具有挑战性的问题。调节表面发射的热通量对于将物体的温度保持在特定范围内也是可取的。控制固体温度的一种方法是控制其表面发射率,以增强或抑制与周围环境的热交换。这种控制通常是通过以与热波长相当的尺度构造发射器来实现的,这样就可以调整发射模式或其光谱。通过使用金属-绝缘体过渡涂层来主动控制热固体的热发射,其光学特性在其临界温度附近发生分叉。这些相变材料已被用于制造高效的辐射热二极管、热晶体管、热存储器,甚至热逻辑门。这种控制也可以通过主动使用电致变色材料施加外部偏置电压来实现,也可以通过被动使用热致变色材料改变其温度来实现。此类设备可以设计成对其红外发射率进行显著调节,使其适用于卫星和航天器热控制等。热致变色材料的光学特性仅通过MIT引起的温度变化而发生显著变化,因此能够设计具有负差分发射率的热发射器。然而,对于许多实际应用来说,需要相反的行为,即固体在阈值温度以上发射出更多的热量。
控制固态设备的温度至关重要,因为高温会对其功能、效率、速度、可靠性和寿命产生负面影响。管理这一问题的一种方法是调整其辐射表面发射特性。金属绝缘体转变 (MIT) 材料具有临界温度 (Tc),已被提议用于热开关,其辐射特性在 Tc 附近急剧变化。通常,MIT 材料在高温下发射较少。本研究介绍了一种具有正微分发射极行为的宽带热开关。使用遗传算法,设计了一种基于二氧化钒 (VO2)薄膜的复合多层结构。对开关内局部损耗的分析表明,其行为与VO2薄膜在Tc以上的红外光谱中的软金属行为有关,从而减少了电场屏蔽。开发的开关在Tc以下发射的热通量为59 瓦每平方米,是黑体发射的60%。图1.VO2块体辐射通量(a)和包含VO2薄膜的PDE多层热开关(b)随VO2临界温度Tc附近温度变化的类型。
图2.优化结果。(a)优化结构;(b)计算法向入射的发射光谱;(c)计算光谱和方向发射率;(d)优化结构发射的热通量随温度的变化,并与块状VO2样品和黑体发射的通量进行比较。
图3.设计结构在Tc以下(a、d);Tc以上(b、e)的光谱和空间电场强度分布和损耗,以及用等效厚度的金层代替VO2层的类似结构(c、f)。白色虚线从上到下显示VO2层和Ge层之间的界面以及Al2O3层的位置。图4.系统方案板内的综合损耗(a)分别为λ=5μm(b)、λ=15μm(c)和λ=25μm(d)。图5.(a)使用Drude模型建模的金属状态下的VO2和各种金属的介电常数。(b)优化结构中金属状态下的VO2膜和由Au、W、Pt和Ti制成的金属膜的发射率光谱的半峰全宽(FWHM)和峰值最大值,作为膜厚度的函数。(c)优化结构中含有VO2层以及用Ti膜替换VO2层(厚度e=34nm)后获得的结构的发射率光谱。Ti膜的介电常数由Drude模型描述,其中等离子体频率ωp=3.82×1015rads−1,阻尼系数γ不同。(d)优化结构中含有Ti膜(厚度e=34nm)的发射率光谱的半峰全宽(FWHM)和峰值最大值,作为γ的函数。
图6.退火后样品Ge−Au−Ti−SiO2的横截面SEM图像(a)以及退火前(b)和退火后(c)的AUGER光谱测量结果。退火后样品Ge−Al2O3−Au−Ti−SiO2的横截面SEM图像(d)以及退火前(e)和退火后(f)的AUGER光谱测量结果。图7.室温下制备结构的横截面SEM图像(a)和掠入射X射线衍射测量结果(b),其中x和*分别对应于Au和Ge峰。退火前后室温下优化结构的拉曼光谱(c)。
本文设计了一种结构,其红外发射率在Tc=68°C左右发生显著变化。该系统可实现由温度被动驱动的辐射热通量,并且能够发射低于Tc的低热通量(低红外发射率)和高于Tc的高热通量,从约59增加到370瓦每平方米。发射辐射通量的显著增加使得表面能够有效地辐射冷却。已经研究了结构内的空间和光谱场强度分布和损耗。在Tc以上观察到的显著宽带发射率显然归因于VO2薄膜的软金属性质,这允许大量电场穿透结构并增强VO2层在宽光谱范围内的损耗。该结构已经制造出来并通过XRD、SEM图像和AUGER光谱进行了充分表征。样品的光学红外开关已通过不同温度下的FTIR光谱测量得到证明,并且与模拟预测的预期结果相对应。然而,性能上还是可以有所改进的。例如,可以使用红外椭圆偏振光谱法直接测量沉积材料的光学特性。将制造材料的精确介电常数纳入优化过程可以减少测量和模拟之间的细微差异。这种转换有望用于辐射冷却、热保护,以及更普遍的热管理应用。