光电工程
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山东高等技术研究院与河南师范大学联合团队发表了题为“定向热辐射研究进展”的特邀综述文章，详细回顾了定向热辐射的基本概念和发展背景，强调了其在现代热管理系统中的重要性，总结了当前面临的挑战并进行了展望。
封面文章 | 陈志营，刘皓佗，吴小虎，等. 定向热辐射研究进展[J]. 光电工程，2024，51(9): 240128.
第一作者：陈志营
通信作者：张凯华，吴小虎
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概述
热辐射是物体因其热能而产生的电磁波辐射，当物体的温度超过绝对零度（0 K）时，其分子和原子的热运动会导致热能转化为辐射能，并向外发射电磁波。这种现象在能源利用、隐身技术、生物医学应用以及红外成像等民用和军用领域中得到广泛应用。
传统的热辐射是各向同性的，即热能均匀地向所有方向辐射。然而，这种全向辐射在许多应用场景下并不高效，特别是在不需要的方向上，过剩的热辐射会导致能量浪费，从而降低热辐射器件的整体效率。因此，开发具有角度选择性的热辐射材料显得尤为重要。以建筑材料为例，夏季地面温度显著上升，增加的太阳热量使得建筑物的能量效率面临挑战。为了改善这一问题，建筑墙体需要采用能有效辐射向冷源（如天空）同时反射来自热环境（如地面）热量的定向红外发射材料。因此，将物体热辐射产生的能量集中到特定方向进而实现高效的热辐射方向调控是至关重要的。根据基尔霍夫定律，物体的发射率在特定波长和角度下与其吸收率相等。虽然这一理论为热辐射的理解提供了基础，但在实际应用中，如何有效地控制和定向热辐射仍然是一个复杂而具挑战性的任务。
关键进展
山东高等技术研究院与河南师范大学联合团队在《光电工程》2024年第9期上发表了题为“定向热辐射研究进展”的特邀综述文章。
文章详细回顾了定向热辐射的基本概念和发展背景，强调了定向热辐射在现代热管理系统中的重要性。传统的热辐射通常是全向的，导致在实际应用中能量浪费和效率降低。针对这一问题，研究者们开始探索具有角度选择性的热辐射材料，以提高热辐射的利用效率。文章指出，随着对材料科学和微纳米技术的深入研究，新的材料体系如光子晶体、表面极化激元结构和等负介电常数（ENZ）材料逐渐成为该领域的研究热点。
其中，Xu等人首次将梯度ENZ材料的概念引入定向宽带辐射调控设计，开创了新的研究方向。这种材料的介电常数在一定频率范围内呈现过零特性，而这些频率在空间梯度上各不相同。研究表明，梯度ENZ薄膜能够支持宽谱泄漏模式，这些模式以相似的入射角度与自由空间传播模耦合，形成宽带定向热发射器。Xu等人基于此理论设计并制备了两个深亚波长光子结构，分别实现了在不同角度范围内的宽带热光束，显示了该材料在定向热辐射中的巨大潜力。在此基础上，Ying等人和Mcsherry等人相继提出了多种基于梯度ENZ材料的创新设计，进一步推动了定向热辐射领域的发展。
图 1 基于ENZ材料实现宽带定向热辐射调控。(a) 由掺杂CdO和SiO2构成的ENZ材料与Au基底结构，实现了窄带定向热辐射调控。(b) 分别设计的梯度ENZ材料在7~12 μm和10~14 μm波段内实现了宽带定向热辐射调控。(c) 通过介质间隙(Ge)来连接组合两个不同波段实现宽带调控的梯度ENZ材料，覆盖全长波红外（LWIR）范围，实现宽带定向热发射。(d) 由耐高温氧化物MgO、BZHO和NiO制成的梯度ENZ超材料，展示了宽带定向热辐射调控的温度不敏感性；(e) 不同温度下（25℃和1000℃）该梯度ENZ超材料的发射率对比图。
此外，传统热辐射通常表现为双向性，即在表面法线两侧的角度范围内对称分布。如果打破互易性，可以单独控制吸收率和发射率，从而提高热光伏系统、中红外光源和红外光谱等领域的效率。为了满足这一要求，许多研究致力于设计具有高度不对称定向性的热源。例如，等离子体带隙结构、耦合共振空穴和多量子阱光子晶体热发射体等技术已被研究应用于窄带非互易定向调控。
Liu等人设计并制备了一种由磁化梯度掺杂的InAs薄膜组成的ENZ材料，在适度的外部磁场作用下，该结构实现了宽带非互易吸收，并通过不同掺杂浓度的磁化InAs薄膜灵活控制工作频率和非互易带宽。Zhang等人和Shi等人基于对Weyl半金属的研究，实现了无需外加磁场的非互易调控，这一创新方法降低了对外部磁场的依赖，简化了器件设计和应用。
图2 定向宽带非互易热辐射调控。(a) 利用不同掺杂浓度的InAs薄膜组成梯度磁化ENZ多层膜，实现非互易热辐射调控。(b) 展示了一层磁光材料非互易发射器在不同外部磁场作用下的发射率和吸收率的变化情况。(c) 由Au上方化学势梯度的磁性Wely金属（MWS）层构成的结构，在无外部磁场的作用下可实现定向宽带非互易性热发射。(d) 由两个具有不同费米能级的多层Wely半金属（WSM）层和交替放置在Au反射镜上的介质薄膜组成，可在无外部磁场的作用下实现定向宽带非互易性热发射。
总结与展望
在定向热辐射研究领域，当前主要集中于宽带定向调控，展现出在辐射冷却、红外伪装、热成像和传感等应用中的高效前景。尤其是非互易性宽带热发射调控，可以显著提升热光伏系统和中红外光源的性能。然而，实际应用中仍面临几个挑战。
首先，发射率定向调控性能的提升至关重要。目前大多数研究的平均发射率集中在0.6至0.8之间，对角度的调控仍不够精细。其次，材料和结构的大规模制备亟需解决，许多技术依赖微纳加工，限制了低成本应用。
此外，材料的耐腐蚀、耐高温和导热性等特性也需关注。电控技术将是提升热辐射调制速度的关键，未来结合超快激光技术的设计将推动动态热开关器件的发展。
最后，开发动态可调的热辐射材料以应对环境变化也显得尤为重要。展望未来，定向热辐射的持续研究将为能源利用和热管理开辟更多可能性。
该项研究得到了国家自然科学基金资助项目（52106099）、山东省自然科学基金项目（ZR2022YQ57）、泰山学者奖励计划项目的支持。
研究团队简介
团队主要从事辐射换热、太阳能光热利用和微纳光子学等领域的研究，其中关于双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。团队共计发表SCI论文200余篇，涵盖高水平期刊如Optica、Renewable Energy、ACS Photonics、Nanophotonics、Nanoscale、Materials Today Physics和ACS Applied Materials & Interfaces等。此外，团队已获得多项专利，涉及基于磁光材料的红外隐身结构和相变材料的平板结构等创新设计。团队成员在各类学术活动中获得省优秀毕业生、会议最佳口头报告及学术论坛优秀论文等多项荣誉。指导老师吴小虎荣获中国青年五四奖章（2024）、山东省省直机关优秀共产党员（2023）等多项荣誉，主持国家自然科学基金等多项科研项目，进一步推动了团队的学术发展和研究成果。
吴小虎老师指导学生进行理论计算
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编辑 | 曾晚婷 张诗杰
审核 | 杨淇名
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