基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻

熱管理博覽會(huì)

2023年8月21日 10:07

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來源 | ACS Nano

背景介紹

黑體輻射具有高度不對(duì)稱的連續(xù)光譜，完全依賴于表面溫度，導(dǎo)致在頻率或動(dòng)量域塑造熱發(fā)射光譜一度被認(rèn)為是難以捉摸的任務(wù)。納米光子學(xué)的進(jìn)步，使熱發(fā)射在動(dòng)量域和頻率域的調(diào)節(jié)成為可能。由于設(shè)計(jì)原理的復(fù)雜性，角度選擇熱發(fā)射比波長選擇熱發(fā)射更具挑戰(zhàn)性。早期試圖將熱發(fā)射轉(zhuǎn)向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化，導(dǎo)致當(dāng)在整個(gè)光譜中平均時(shí)，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發(fā)射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報(bào)道實(shí)質(zhì)性的定向輻射冷卻效應(yīng)。此外，定向熱發(fā)射器或輻射冷卻器的實(shí)際用途仍然不清楚。

成果掠影

近期，華中科技大學(xué)胡潤副教授、韓國慶熙大學(xué)Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團(tuán)隊(duì)制備了一種寬帶定向輻射冷卻器，在p和s極化中都具有高振幅側(cè)發(fā)射。采用貝葉斯優(yōu)化方法對(duì)其多維結(jié)構(gòu)的變量進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)光譜中的角選擇性和總半球發(fā)射率εT達(dá)到最大。用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝精確制造了該結(jié)構(gòu)。利用能量-動(dòng)量色散揭示了定向發(fā)射的基本物理原理，定向發(fā)射在多個(gè)特殊的epsilon波長處達(dá)到峰值。作者發(fā)現(xiàn)，由于溫室效應(yīng)，全方位熱發(fā)射器在封閉系統(tǒng)中可能無效。相比之下，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的側(cè)發(fā)射熱發(fā)射器即使在封閉系統(tǒng)中也能保持冷卻性能。此外，它還可以為靠近光電器件的用戶提供熱舒適。相關(guān)研究成果以“Directional Radiative Cooling via Exceptional Epsilon-Based Microcavities”為題發(fā)表于《ACS Nano》。

圖文導(dǎo)讀

圖1 氧化物基熱輻射器。(a ~ f) 模擬氧化物/金屬膜(a、b)、獨(dú)立氧化膜(c、d)和微結(jié)構(gòu)獨(dú)立氧化膜(e、f)的能量-動(dòng)量色散和電磁能量分布。

圖2 SiO₂/AlO_X雙殼中空微腔的設(shè)計(jì)與制備。

圖3 測量和模擬能量-動(dòng)量色散。

圖4 熱舒適和輻射冷卻實(shí)驗(yàn)。(a,b)熱舒適實(shí)驗(yàn)。(a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。每個(gè)樣品(即SiO₂/AlO_X (100/100 nm)雙殼HMs和碳帶涂覆Si)連接到100°C的電加熱器上。(b) ΔT值的時(shí)間變化(上表)和紅外熱像圖(下表)。ΔT定義為θ_v = 60°和θ_v = 0°或30°的溫度之差。(插圖) SiO₂/AlO_X (100/100 nm)雙殼HMs和碳帶包覆Si的物體溫度角分布。在θ_v = 0°時(shí)，將紅外熱成像圖像歸一化為碳涂層掩膜的最大強(qiáng)度。(c,d)輻射冷卻實(shí)驗(yàn)。(c)每個(gè)樣品溫度的時(shí)間變化。(上面板)時(shí)變輸入電壓信號(hào)。(d)相對(duì)于裸Si在12、14和16 V時(shí)的溫度還原值。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立測量在每個(gè)周期結(jié)束前30秒獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。