CN112513690A - 辐射装置和发射冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实施例涉及具有用于将热能选择性地转换为电磁波的结构的辐射装置等。辐射装置包括导体层，半导体层和多个导体盘。多个导体盘布置在半导体层上，使得在具有矩形形状且边为4.5至5.5μm的多个单元构成区域中的每个中构成相同的布置图案。各个单元部件的布置图案包括对应于3×3矩阵的九个导体盘，并且九个导体盘包括直径彼此不同的四种或更多种的导体盘。结果，在半导体层上形成布置图案的二维周期性结构。

Description

辐射装置和发射冷却装置

技术领域

本公开涉及一种辐射装置以及包括该辐射装置的发射冷却装置。

背景技术

通过电磁波的热能传输被称为“热辐射”或简称为“辐射”，并且具有存储的热能的物质由于辐射而发射具有由普朗克定律确定的波长的电磁波。此外，在金属和电介质界面处产生作为电子的集体振荡的等离激元(plasmons)。注意，响应于包括原始物质中未发现的光的电磁波而起作用的、具有人工纳米/微米级精细结构的装置被称为超材料，该装置。特别地，在超材料中，等离激元介入的装置称为等离激元超材料。

已知可以配置通过上述等离激元超材料控制辐射光谱并辐射选择的波长的辐射装置。作为这种使用等离激元的辐射装置的一般结构，已知一种堆叠结构，其包括：金属层，形成在金属层上的介电层；以及包括布置在介电层上并具有预定形状的金属图案的金属层。

作为辐射装置的示例，例如，如专利文献1所公开的那样，可以使用堆叠的贵金属-介电-贵金属的超材料作为基底来制造高效吸收特定波长附近的光和电磁波的材料。此外，专利文献1公开了一种其中包括金属层12、形成在金属层12上的导体层14和形成在导体层上的金属盘层16的电磁吸收和辐射装置的结构，并且金属盘层16包括多个圆形导体盘16a。注意，专利文献1描述了吸收波长取决于多个圆形导体盘16a的直径而变化，并且公开了一种窄带电磁吸收和辐射装置，其具有通过使包括在金属盘层16中的多个导体盘16a的直径相等而获得的在单个波长处的辐射和吸收峰。

此外，专利文献2公开了作为辐射装置的应用示例的发射冷却装置，尽管该发射冷却装置不是等离激元超材料。该发射冷却装置使用具有在所谓的“大气窗”之中的8至13μm的波长区域中的高吸收和辐射特性的辐射装置，将转换为波长为8至13μm的电磁波的热辐射到大气外部，“大气窗”是大气影响小且电磁波透射率较高的波长区域。注意，“大气窗”是指大气的影响小且透光率高的波长区域，并且0.2至1.2μm、1.6至1.8μm、2至2.5μm、3.4至4.2μm、4.4至5.5μm(4.5至5.5μm)和8至14μm(8至13μm)的波长区域是已知的。

此外，非专利文献1公开了一种辐射装置，其具有：铜层；形成在该铜层上的非晶硅层；以及包括形成在该非晶硅层上的盘状图案以用于辐射冷却的目的的铜层。针对圆盘状的铜层使用八种直径不同的圆盘(直径800至1360nm)来扩宽辐射波带，将总共25个圆盘(即5张圆盘×5张圆盘)布置在周期为8μm的单位区域内。分析结果表明，在8至13μm的波长区域内可以获得高辐射特性。

引用列表

专利文献

专利文献1：WO/2016/031547

专利文献2：US 2015/0,338,175 A1

非专利文献

非专利文献1：T.Liu等人的，“Metasurface-based three dimensional skyradiator and auxiliary heat mirror(基于超表面的三维天空辐射器和辅助热镜)”，日本应用物理学会第77届秋季会议，讲稿No.15p-B4-13(2016)

发明内容

本公开的辐射装置至少包括导体层、半导体层和多个导体盘。导体层具有沿着第一方向彼此相反地布置的第一下表面和第一上表面。半导体层设置在导体层的第一上表面上，并且具有面对第一上表面的第二下表面和与第二下表面相反的第二上表面。导体盘以导体盘彼此分离的状态设置在半导体层的第二上表面上。此外，多个导体盘被布置成使得在第二上表面上设定的面积和形状相同的多个单元构成区域的每一个中构成相同的布置图案。注意，多个单元构成区域中的每一个均具有边的长度为4.5μm或更大且5.5μm或更小的矩形形状。具有这种结构的多个单元构成区域被布置成使得相邻的单元构成区域沿着在第二上表面上限定的并且彼此正交的第二方向和第三方向中的每一个具有共同侧。结果，在第二上表面上构成具有沿着第二方向和第三方向中的每一个方向的周期性的布置图案的二维周期性结构(等离激元周期性结构)。布置图案包括被布置成对应于3×3矩阵的九个导体盘，在该3×3矩阵中，沿着矩形形状的第一边布置三个元件，并且沿着与第一边正交的第二边布置三个元件。此外，九个导体盘包括具有在第二上表面上限定的并且彼此不同的直径的四种或更多种的导体盘。

此外，本公开的发射冷却装置包括具有上述结构的辐射装置，并且作为示例，配备有安装在包括具有相对高的导热效率并且能够形成光滑的表面的材料的基板层上的根据本实施例的辐射装置。

附图说明

图1是用于描述根据本实施例的发射冷却装置的示意性配置的图。

图2是示出根据本实施例的发射冷却装置的图1所示的区域A的截面结构的图。

图3是用于描述设置在半导体层上的导体盘的布置图案的二维周期性结构的平面图。

图4是用于描述导体盘在单元构成区域R中的布置图案的平面图。

图5是示出根据本实施例的辐射装置的截面结构的图。

图6是具有导体盘的基准布置图案的辐射装置的吸收光谱。

图7是示出具有不同的周期性间距(pitch)P(与一个边的长度匹配)的类型A至C的单元构成区域R的图。

图8示出了辐射装置的多个样品的吸收光谱，其中，基于在图7中所示的类型A至C的单元构成区域R构成了导体盘的盘布置图案的二维周期性结构。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

作为考察常规辐射装置和发射冷却装置的结果，本发明人已发现了以下问题。即，在上述非专利文献1中，目的在于获得一种通过使用等离激元的作用而向大气外部辐射热的发射冷却装置，但是在“大气窗”之中仅具有波长为8至13μm的波长区域被积极地使用。因此，与其他波长区域相对应的能量停留在辐射装置中。此外，除“大气窗”以外的其他波段的辐射被大气吸收。在这种情况下，大气的再辐射被吸收，这导致冷却效率降低。

此外，已知在使用金属盘层的超材料的情况下，吸收波长取决于导体盘的直径。然而，难以从期望的吸收波长特性向后计算多个导体盘的最佳直径和布置，并且通常重复以有限差分时域法(FDTD法)方法等代表的电磁场分析，并且通过试错获得更好的设计价值。因此，难以确定在8至13μm的波长区域以及其他“大气窗”的波长区域两者中均具有吸收特性的多个导体盘的直径和布置。

已经做出本公开以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种能够在对应于另一个“大气窗”的波长区域以及对应于常规使用的“大气窗”的波长区域中选择性地将热能转换成电磁波的辐射装置和发射冷却装置。

[本公开的有益效果]

根据本公开，可以高度准确地使用与“大气窗”相对应的8至13μm的波长区域和4.5至5.5μm的波长区域两者，并且可以提高热能辐射效率。即，由于被限制在辐射装置的堆叠结构中的等离激元的影响的共振模式，作为与8至13μm的波长区域相对应的“大气窗”的电磁波而选择性地被等离激元周期性结构发射。同时，沿着彼此正交的两个方向中的每个，将等离激元周期性结构的周期(由单元构成区域的一个边的长度限定的导体盘的周期性间距)调整为4.5至5.5μm。因此，可以使用通过等离激元周期性结构的衍射的吸收峰(使用通过衍射的吸收增强效果)，并且选择性地发射与4.5至5.5μm的波长区域相对应的“大气窗”的电磁波。

[本公开的实施例的描述]

本公开的辐射装置是等离激元超材料，其使用具有纳米/微米级精细结构的金属等来将热转换成电磁波(光)，并且该辐射装置能够通过给出上述精细结构中的周期性结构(等离激元周期性结构)并控制周期性结构的周期，有效使用“大气窗”中的多种波长区域。即，根据本实施例的辐射装置使用由于等离激元周期性结构的衍射模式和由于等离激元的共振模式两者，并且使得能够在4.5至5.5μm的波长区域以及常规使用的要照射到大气外部的8至13μm的波长区域中，将热转换成电磁波。首先，将单独列出和描述本公开的实施例的内容。

(1)根据本实施例的辐射装置包括导体层、半导体层和多个导体盘。导体层具有沿着第一方向彼此相反地布置的第一下表面和第一上表面。半导体层设置在导体层的第一上表面上，并且具有面对第一上表面的第二下表面和与第二下表面相反的第二上表面。导体盘以导体盘彼此分离的状态设置在半导体层的第二上表面上。此外，多个导体盘被布置成使得在第二上表面上设定的具有相同面积和相同形状的多个单元构成区域中的每个具有相同的布置图案。注意，多个单元构成区域中的每一个均具有矩形形状，该矩形形状的边的长度为4.5μm或更大且5.5μm或更小。具有这种结构的多个单元构成区域被布置成使得相邻的单元构成区域沿着在第二上表面上限定的并且彼此正交的第二方向和第三方向中的每一个具有共同侧。结果，在第二上表面上构成具有沿着第二方向和第三方向中的每一个方向的周期性的布置图案的二维周期性结构(等离激元周期性结构)。布置图案包括布置成构成3×3矩阵的九个导体盘，其中，在构成矩形形状的边中，沿着彼此正交的边的一个边(第一边)布置三个元件，并且沿着其他边(第二边)布置三个元件。此外，九个导体盘包括具有在第二上表面上限定的并且彼此不同的直径的四种或更多种的导体盘。注意，在本说明书中，“矩形”是指包括其中所有四个内角均相等的正方形的四边形。

如上所述，根据本实施例，多个单元构成区域沿着第二上表面上限定的并且彼此正交的第二和第三方向中的每个布置在第二上表面上没有间隙。结果，获得具有与在限定矩形的四个边中的夹有一个内角(直角)的两个相邻边(对应于第一和第二边)的每一个的长度匹配的周期性间距的二维周期性结构，即，多个导体盘的布置图案的二维周期性结构。注意，在本说明书中，“二维周期性结构”是指沿着彼此正交的两个方向中的每个具有周期性的结构。即，在采用夹着一个内角的两个相邻边的长度不同的四边形作为单元构成区域的平面形状的情况下，具有沿着彼此正交的第二方向和第三方向的每一个的不同周期性间距的二维周期性结构被形成在第二上表面上。在本实施例中，获得了一种辐射装置，该辐射装置使用由于这样的二维周期性结构的衍射模式和由于等离激元的影响的共振模式，并且对于至少在对应于具有4.5至5.5μm的波长的大气窗的波长区域中的电磁波和在对应于具有8至13μm的波长的大气窗的波长区域中的电磁波均具有高发射率。特别地，即使在夹着一个内角的两个相邻边的长度不同的情况下，如果两个相邻边的长度都在4.5至5.5μm的范围内，则可以使用具有波长为4.5至5.5μm的大气窗。另外，在本实施例中，代替电介质层，在导体层与导体盘之间布置有在小于8μm的波长区域中吸收较少的半导体层。结果，改善了作为大气窗的波长区域的中红外波长区域中的热-电磁波转换特性。

(2)作为本实施例的一个方面，多个导体盘中的每个优选地由Al组成。另外，作为本实施例的一方面，导体层优选由Al组成。在任一种情况下，如果将Al用作层构成材料，则可以降低辐射装置的制造成本。特别地，在多个导体盘和导体层均由Al组成的情况下，可以减少要制备的层构成材料的种类，从而可以进一步降低辐射装置的制造成本。

(3)作为本实施例的一个方面，沿着第一方向限定的多个导体盘中的每个导体盘的厚度优选地比导体层的厚度薄。具体地，作为本实施例的一个方面，多个导体盘中的每个导体盘的厚度优选为100nm或更小，以提高每个导体盘的形状的可控制性。此外，作为本实施例的一个方面，沿着第一方向限定的导体层的厚度优选为100nm或更大，以防止电磁波的透射。

(4)作为本实施例的一个方面，布置在一个单元构成区域中的九个导体盘优选地包括七种或更少种的直径彼此不同的导体盘，而九个导体盘包括具有最小直径的三个导体盘。在这种情况下，与包括四种或更多种的直径不同的导体盘的情况相比，可以改善期望的辐射波长区域中的短波长侧的发射率。

(5)作为本实施例的一方面，夹着一个内角的两个相邻边的长度可以彼此不同。在这两个相邻边的长度都为4.5至5.5μm(两侧的长度之差为1μm或更小)的情况下，可以有效地使用波长为4.5至5.5μm的大气窗。另外，作为本实施例的一个方面，单元构成区域的平面形状可以是夹着一个内角夹的两个相邻边的长度相同的正方形形状。在将单元构成区域的平面形状以此方式设为正方形形状的情况下，能够降低辐射装置的偏振依赖性。

(6)根据本实施例的发射冷却装置包括具有上述结构的辐射装置。作为其一方面，发射冷却装置配备有根据本实施例的辐射装置，该辐射装置安装在基板层上，该基板层包括具有相对高的导热效率并且能够形成光滑表面的材料。此外，为了保护多个导体盘并反射外部光的目的，辐射装置的半导体层的表面优选地设置有表面保护层(反射膜)以覆盖多个导体盘。

如上所述，在[本公开的实施例的描述]中列出的每个方面适用于所有其余方面中的每一个或这些其余方面中的所有组合。

[本公开的实施例的细节]

在下文中，将参照附图详细描述根据本实施例的辐射装置和冷却装置的具体结构。注意，本公开不限于这些示例，而是由权利要求的范围指示，并且意图包括与权利要求的范围等同的含义和范围内的所有修改。注意，在附图的描述中，相同的元件将由相同的附图标记表示，并且将省略重复的描述。

图1是用于描述根据本实施例的发射冷却装置的示意性配置的图，图2是示出根据图1中所的本实施例的发射冷却装置的区域A的截面结构的图。注意，每个图应由XYZ笛卡尔坐标系表示。

如图1所示，根据本实施例的发射冷却装置100是在大气窗的波段中具有具有高发射率的光谱的辐射板等。发射冷却装置100具有其中辐射装置100A(根据本实施例的辐射装置)安装在基板层110上的结构。此外，在发射冷却装置100中，发射特定波长区域中的电磁波的装置表面(辐射装置100A的边)朝向建筑物200的外部，而装置背面(基板层110的边)则设置为直接或间接与被建筑物200中的热源210加热的空气接触。

发射冷却装置100吸收在建筑物200中变暖的空气，将其转换成在大气窗的窗口波长区域内的电磁波230，并将电磁波230发射到建筑物200的外部。为了通过大气窗的波长区域实现与宇宙的热平衡，发射冷却装置100损失了热能并且其温度下降。如上所述，由于建筑物200中的热空气与发射冷却装置100的背面接触，因此通过将一次存储的热能传递到发射冷却装置100来冷却热空气。由于冷却的空气通过自然对流220或在建筑物200中的强制循环返回室内，根据本实施例的发射冷却装置100可以起到冷却的作用。

具体地，如图2所示，发射冷却装置100包括：具有沿着Z轴(第一方向)彼此相反地布置的下表面110a和上表面110b的基板层110；和设置在基板层110的上表面110b上的辐射装置100A。注意，基板层110的下表面110a对应于装置背面。基板层110由具有相对高的导热效率并且能够形成光滑表面的材料组成。辐射装置100A包括导体层120、半导体层130和包括多个导体盘150的表面保护层140。导体层120设置在基板层110的上表面110b上并具有面对上表面110b的下表面120a和与下表面120a相反的上表面120b。半导体层130设置在导体层120的上表面120b上，并且具有面对上表面120b的下表面130a和与下表面130a相反的上表面130b。多个导体盘150以多个导体盘150彼此分离的状态布置在半导体层130的上表面130b上。此外，表面保护层(反射膜)140设置在半导体层130的上表面130b上，以使表面保护层覆盖多个导体盘150，从而保护多个导体盘150并防止光从装置外部入射。

接下来，将参照图3和图4描述设置在半导体层130的上表面130b上的多个导体盘150的布置。注意图3是用于描述多个导体盘150的布置图案的二维周期性结构的平面图，图4是用于描述在单元构成区域R中的导体盘150的布置图案的平面图。

如图3所示，多个导体盘150布置成使得被设置在半导体层130的上表面130b表面上的、多个具有相同面积和相同形状的单元构成区域R中的每一个具有相同的布置图案。此外，作为多个单元构成区域R的每一个的平面形状，采用其中夹着一个内角的两个相邻边的长度彼此不同、而两个相邻边的长度为4.5μm或更大且5.5μm或更小的矩形形状，或者其中夹着一个内角的两个相邻边的长度彼此相同、而两个相邻边的长度的每一个为4.5μm或更大且5.5μm或更小的矩形形状(正方形形状)。注意，在下面的描述中，将描述每个单元构成区域R具有正方形形状的情况作为矩形形状的示例。即，在图3的示例中，多个单元构成区域R中的每一个具有正方形形状，该正方形形状的边的长度为4.5μm或更大且5.5μm或更小。具有这种结构的多个单元构成区域R无间隙地布置在上表面130b上，使得彼此相邻的单元构成区域R具有共同侧，即，沿着彼此正交的X轴和Y轴彼此接触，如图3所示。结果，在上表面130b上构成了多个导体盘150的布置图案的二维周期性结构。该二维周期性结构是在中红外波长区域中产生电磁波的红外等离激元周期性结构，并且单元构成区域R的一个边的长度对应于该二维周期性结构的周期性间距P。在图3的示例中，每个单元构成区域R中的布置图案包括被布置成构成3×3矩阵的九个导体盘，其中三个元件沿着构成正方形形状的边中的彼此正交的边的一个边布置，并且三个元件沿着其他边布置。即，导体盘150以导体盘150的中心与以平行于X轴的相等间隔设置的线a1至a3以及以平行于Y轴的相等间隔设置的线b1至b3的各交点(晶格点)O匹配的方式被布置。

此外，布置在一个单元构成区域R中的九个导体盘包括直径彼此不同并且在沿着Y轴或X轴的方向(第二方向)上限定的四种或更多种的导体盘。在图4的示例中，九个导体盘150a至150i以在线a1至a3以及线b1至b3的交点O上九个导体盘150a至150i彼此分离的状态布置在单元构成区域R中。第一导体盘150a的直径为0.9μm。第二导体盘150b的直径为1.1μm。第三导体盘150c的直径为0.9μm。第四导体盘150d的直径为1.4μm。第五导体盘150e的直径为1.5μm。第六导体盘150f的直径为1.2μm。第七导体盘150g的直径为0.9μm。第八导体盘150h的直径为1.3μm。第九导体盘150i的直径为1.0μm。即，在图4的示例中，布置在一个单元构成区域R中的九个导体盘包括具有最小直径(0.9μm)的三个导体盘150a、150c和150g，并且包括具有彼此不同直径(0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm和1.5μm)的七种导体盘。注意，在图4的示例中，彼此相邻的导体盘的中心间隔(即，交点O的间隔)为1.7μm，并且对应于周期性间距P的单元构成区域R的一个边的长度被设定为5.1μm。

发明人注意到，当如非专利文献1中所公开的那样周期性地布置多个盘图案(布置图案)的组合时，具有取决于盘图案的周期的波长的电磁波的衍射也发生。通常，发生衍射的波长和布置图案的周期彼此大致相等。因此，在本实施例中，周期设定为4.5至5.5μm。结果，还使用在4.5至5.5μm的波长区域中的辐射，该辐射与传统使用的具有8至13μm的波长的“大气窗”不同。此外，如非专利文献1中所述，盘直径通常在1±0.5μm(0.5至1.5μm)的范围内，以便由于在8至13μm的波长处的等离激元的作用而产生辐射。考虑到相邻盘之间的间隔，在将周期设置在4.5至5.5μm的范围内的情况下，一种布置图案(每一个单元构成区域)包括总共九个盘(即三个盘×三个盘)是合适的。因此，由于通过组合构成一个布置图案的9个导电盘150a至150i的步骤和直径而获得的等离激元的共振模式，根据本实施例的辐射装置100A在波长为8至13μm的“大气窗”中具有辐射特性。此外，在辐射装置100A中，将布置图案的周期性间距P(对应于单元构成区域R的一个边的长度)设定为4.5至5.5μm。结果，辐射装置100A甚至由于衍射模式而在具有4.5至5.5μm的波长的“大气窗”中也具有辐射特性。注意，由于吸收率等于辐射装置中的发射率，因此曲线图的纵轴可以由吸收率或发射率表示以示出波长特性。

图5是示出根据本实施例的辐射装置100A的截面结构的图。具体地说，图5的截面结构对应于图4中的I-I线所示的辐射装置100A的截面。

如上所述，根据本实施例的辐射装置100A安装在包括例如Si的基板层110的上表面110b上。注意，在将辐射装置100A实际用作发射冷却装置100的情况下，如图1所示，将热源210安装在基板层110(Si基板)的下方。作为示例，辐射装置100A包括与导体层120相对应的Al层，与半导体层130相对应的Si层以及与表面保护层140中包括的导体盘150(150f和150i)相对应的Al盘(包括Al的导体盘)。

沿着Z轴限定的导体盘150(Al盘)的厚度W1优选薄至约30至100nm，以提高形状的可控制性，从而能够降低制造成本。注意，当厚度W1改变时，辐射特性也略有改变，但是在该范围内，在具有8至13μm的波长的波长区域中可以获得足够的发射率。此外，沿着Z轴方向限定的导体层120(Al层)的厚度W2优选为约100至200nm。这是因为如果Al层太薄，则会发射电磁波。因此，在本实施例中，厚度W2被设定为比厚度W1更厚。

作为施加到沿着Z轴夹在两个Al层之间的半导体层130(Si层)的材料，在短于8μm的波长区域以及中红外波长区域中吸收较少的Si、Ge等是优选的。

注意，作为导体层120和导体盘150(150a至150i)的构成材料，除了Al以外，还可以使用Au、Ag、Cu等。作为位于底层的基板层110的构成材料，具有相对高导热率并且能够形成光滑表面的材料是合适的，例如，Si、金刚石、Al等是优选的。对于每个导体盘150a至150i的直径，当在0.8至1.5μm的范围内重复通过FDTD方法进行分析时，存在在其处可获得在8至13μm的波长区域内的高发射率的选择的直径。

具有上述结构的辐射装置100A如下制造。即，通过溅射法在硅基板(基板层110)上连续形成厚度为100nm的Al层和厚度为500nm的Si层。接下来，通过光刻技术在Si层上形成厚度为150nm的抗蚀剂图案，然后通过溅射法形成厚度为50nm的Al层。通过使用N-甲基吡咯烷酮的剥离法去除对导体盘150a至150i的形成没有贡献的Al层和抗蚀剂。

(辐射特性)

接下来，将描述通过FDTD方法形成的辐射特性。辐射特性的计算是针对以下配置进行的，其中在单元构成区域R在无限区域上扩展的状态下，平面波从无限区域的垂直上方入射。注意，省略了基板层110(Si层)，因为基板层110(Si层)基本上没有作用。

图6是具有导体盘的基准布置图案的辐射装置的吸收光谱。注意，在图6的吸收光谱中，水平轴表示波长(μm)，垂直轴表示在基准周期性间距下的吸收率。垂直轴上的吸收率值通过将最大值设置为1进行归一化。

所准备的单元构成区域R的一个边(周期性间距P)被设定为5.1μm。此外，布置在单元构成区域R中的九个导体盘的直径全部统一为1.2μm，并且导体盘之间的中心间隔设置为1.7μm。

如从图6所见，在基本上与周期性间距P匹配的接近5μm的波长的大约1μm处确保在其处可获得0.7或更大的吸收率的频带。考虑到可以通过叠加获得与8至13μm的波长区域相对应的“大气窗”的吸收率，将直径不同的四种或更多种的导体盘组合是优选的。此外，在多个导体盘中，直径小的盘相对于入射光具有小的有效面积。因此，优选在单元构成区域R中布置多个具有最小直径的导体盘。例如，在图4的示例中，布置最小直径为0.9μm的三个导体盘150a、150c、150g。

图7是示出具有不同的周期性间距P(匹配一个边的长度)的类型A至C的单元构成区域R的图。在类型A的单元构成区域R中，将与构成在半导体层130上的二维周期性结构的周期性间距P相对应的一个边设置为4.5μm，并且将导体盘之间的中心间隔设置为1.5μm。在类型B的单元构成区域R中，将与构成在半导体层130上的二维周期性结构的周期性间距P相对应的一个边设为5.1μm，并将导体盘的中心间隔设为1.7μm。在类型C的单元构成区域R中，将与构成在半导体层130上的二维周期性结构的周期性间距P相对应的一个边设为5.5μm，并将导体盘的中心间隔设为1.833μm。此外，与图4所示的导体盘150a至150i相对应的九个导体盘布置在类型A至C的单元构成区域R的每个中。即，类型A至C的任何单元构成区域R包括直径彼此不同(0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm和1.5μm)的七种导体盘，其中三个导体盘的最小直径为0.9μm。注意，在图7中的每个单元构成区域R中示出的数字表示每个导体盘的直径。

图8示出了辐射装置的多个样品的吸收光谱，其中，基于在图7中所示的类型A至C的单元构成区域R构成了导体盘150的布置图案的二维周期性结构。在图8的吸收光谱中，水平轴指示波长(μm)，垂直轴指示为4.5μm(图7中的类型A)、5.1μm(图7中的类型B)和5.5μm(图7中的类型C)的每个周期性间距P的吸收率。注意，将垂直轴上的每个周期性间距P的吸收率值以最大值设为1进行归一化。如上所述，辐射特性的计算也是针对以下配置进行的，其中在单元构成区域R在无限区域上扩展的情况下，平面波从无限区域的垂直上方入射。注意，省略了基板层110(Si层)，因为基板层110(Si层)基本上没有作用。

在图8中，由虚线包围的区域B1在“大气窗”中示出了4.5至5.5μm的波长区域，而区域B2在“大气窗”中示出了8至13μm的波长区域。从图8可以看出，在施加了类型A至C中的任何一种的样品中，在与区域B2相对应的8至13μm的波长区域中可以获得大的吸收率。类似地，在与区域B1相对应的4.5至5.5μm的波长区域中可以获得大的吸收率。特别地，在区域B1中，由于衍射导致的吸收峰随着周期性间距P的变化而变化。据此，通过控制周期性间距P(单元构成区域R的一个边的长度)，可以在与4.5至5.5μm的波长区域相对应的“大气窗”附近获得大的吸收。

参考标记列表

100…发射冷却装置(辐射板)；100A…辐射装置；110…基板层；120…导体层；130…半导体层；140…表面保护层；和150，150a至150i…导体盘。

Claims (9)

1.一种辐射装置，包括：

导体层，所述导体层具有沿着第一方向被布置成彼此相反的第一下表面和第一上表面；

半导体层，所述半导体层被设置在所述导体层的所述第一上表面上，所述半导体层具有面对所述第一上表面的第二下表面和与所述第二下表面相反的第二上表面；以及

多个导体盘，在所述多个导体盘彼此分离的状态下，所述多个导体盘被设置在所述半导体层的所述第二上表面上，

其中，所述多个导体盘被布置成使得在被放置在所述第二上表面上的具有相同面积和相同形状的多个单元构成区域中的每一个中构成相同的布置图案，

所述多个单元构成区域中的每一个具有矩形形状，所述矩形形状具有长度为4.5μm或更大且5.5μm或更小的边，并且所述多个单元构成区域被布置成使得沿着第二方向和第三方向中的每一个彼此相邻的单元构成区域具有共同边，结果，构成了沿着所述第二方向和所述第三方向中的每一个具有周期性的所述布置图案的二维周期性结构，其中所述第二方向和所述第三方向限定在所述第二上表面上并且彼此正交；

所述布置图案包括被布置成对应于3×3矩阵的九个导体盘，在所述3×3矩阵中，沿着所述矩形形状的第一边布置三个元件，并且沿着正交于所述第一边的第二边布置三个元件；并且

所述九个导体盘包括四种或更多种的导体盘，所述四种或更多种的导体盘具有在所述第二上表面上限定的并且彼此不同的直径。

2.根据权利要求1所述的辐射装置，其中，沿着所述第一方向限定的所述多个导体盘中的每一个的厚度比所述导体层的厚度薄。

3.根据权利要求1或2所述的辐射装置，其中，所述多个导体盘的每一个由Al组成。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的辐射装置，其中，沿着所述第一方向限定的所述多个导体盘中的每一个的厚度为100nm或更小。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的辐射装置，其中，所述导体层由Al组成。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的辐射装置，其中，沿着所述第一方向限定的所述导体层的厚度为100nm或更大。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的辐射装置，其中，所述九个导体盘包括具有彼此不同的直径的七种或更少种的导体盘，而所述九个导体盘包括具有最小直径的三个导体盘。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的辐射装置，其中，所述矩形形状是正方形形状。

9.一种发射冷却装置，所述发射冷却装置包括根据权利要求1至8中的任一项所述的辐射装置。

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