CN113845082B - 辐射热流调控器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种辐射热流调控器件及其应用，该辐射热流调控器件至少包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括一相变材料层，所述相变材料层采用微纳米结构阵列。所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。本公开主要是利用相变材料层采用的微纳米结构阵列在相变前后导致的近场局域电磁态密度的显著差异，从而实现了对近场辐射热流的高效调控。

Description

辐射热流调控器件及其应用
技术领域
本公开涉及热流调控技术领域，具体涉及一种基于微纳米结构阵列的辐射热流调控器件及其应用。
背景技术
热量传递是自然界中最基本的现象之一，对热量传递过程的系统研究和高效利用是解决现代能源与环境问题的重要途径。实现对热流的灵活调控，不仅能够减少日常生活中制冷与供暖的负荷，减少能源消耗，还可以实现更高效的热工转换效率，实现对能源的高效利用。
热量传递分为三种最基本的方式，分别为热传导、热对流和热辐射。其中，热辐射的本质是物体内部电荷随机热运动引发的电磁波，其中包含了传播波和倏逝波，倏逝波的振幅随着离开物体表面的距离而呈指数衰减。因此，当辐射体之间的间距大于热特征波长时，热量只能通过传播波进行输运，此时称为远场热辐射，其辐射规律由黑体辐射定律进行描述。而当辐射体之间的间距接近或小于热特征波长时，倏逝波开始逐渐参与甚至主导辐射换热，经典的热辐射定律被打破，这种现象叫做近场热辐射。
基于近场热辐射的热流调控技术由于可以利用多种不同的电磁模式实现对热流的调控，有望实现较好的热流调控性能，因此在热二极管、热三极管、热开关等多种非线性热学器件中均受到了广泛的关注。
热二极管、热三极管和热开关等不同非线性热学器件所基于的物理机制比较相似，在近场热辐射中可以归纳为：通过热、光、电等不同触发机制，实现对近场热辐射中的不同电磁波的调控，从而达到改变辐射热流大小的目的。
其中，基于热整流效应的热二极管是一种非常典型的热流调控器件。热二极管是电二极管在热学领域中的比拟，理想的热二极管只允许单向导通热流。在实际的热二极管器件中，在同样的温差下，改变温差的方向会得到不同大小的热流。对于基于近场热辐射的热二极管而言，当温度偏置方向发生改变时，介电常数的改变将导致辐射热流的大小产生差异。热二极管的核心性能参数是整流比，其定义为正反向热流之差与较小的反向热流的比值。
虽然纳米材料技术的发展，超材料也逐渐引起了人们的关注。近些年来，超材料在近场热辐射领域的应用研究正在如火如荼地进行。超材料是一种具有特殊性质的人造材料，超材料并非是在材料成分上有特殊之处，而是通过利用微纳米尺度的特征结构实现特异的光、电性质，较为典型的超材料结构有如圆柱阵列、二维光栅、周期性叠层结构和具有微粒填充的基质等。基于超材料的近场辐射热流调控器件，有望实现更为显著的热流调控能力。
综上，为了更好地实现热量运输过程的调控，显著提高应用潜力，本领域技术人员希望开发一种基于微纳米结构阵列的新的超材料技术方案，以有效提高辐射热流调控器件的热流调控能力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于微纳米结构阵列的辐射热流调控器件及其应用，以至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本公开的一方面提供了一种辐射热流调控器件，该辐射热流调控器件至少包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体，其中：所述第一辐射体包括一相变材料层，所述相变材料层采用微纳米结构阵列。
根据本公开的实施例，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。
根据本公开的实施例，所述相变材料层的厚度为1nm-10mm。可选地，所述相变材料层的厚度为10nm-1μm。
根据本公开的实施例，所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为0.1％-70％。可选地，所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为1％-30％。
根据本公开的实施例，所述相变材料层采用金属-绝缘体相变材料。所述金属-绝缘体相变材料是选自AIST、LCSMO、矾的氧化物、钛的氧化物、钙钛矿型稀土过渡金属氧化物、四氧化三铁、二氧化铌、Pr0.7Ca0.3MnO3所组成群组中的任一种或多种的组合。可选地，所述矾的氧化物为二氧化钒。
根据本公开的实施例，所述第一辐射体还包括一第一基底，所述相变材料层设置于所述第一基底表面。所述第一基底包括一第一金属层，所述第一金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第一金属层的体积百分比至少为30％。所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第一金属层的距离为10nm-100mm。
根据本公开的实施例，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为10nm-1cm。可选地，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为100nm-10μm。
根据本公开的实施例，所述第二辐射体包括一第一极性材料层，所述第一极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧，所述第一极性材料层的厚度为1nm-100mm。
根据本公开的实施例，所述第一极性材料层采用微纳米结构阵列，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。
根据本公开的实施例，所述第一极性材料层采用的极性材料是选自立方氮化硼、碳化硅、二氧化硅、六角氮化硼、氮化镓、氧化镁、硒化锌、硫化锌、蓝宝石、碲化镉、溴化铯、碘化铯、二氧化硅、溴化银、氯化银、氯化钠、溴化钾、氯化钾、氟化钡、氟化铯、氟化钙、氟化锂所组成群组中的任一种或多种的组合。
根据本公开的实施例，所述第二辐射体还包括一第二基底，所述第一极性材料层设置于所述第二基底表面，且所述第二基底设置于远离所述第一辐射体的一侧。
根据本公开的实施例，所述第二基底包括一第二金属层，厚度为1nm-100mm；所述第二金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第二金属层的体积百分比至少为30％。
根据本公开的实施例，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第二金属层的距离为10nm-100mm。
根据本公开的实施例，该辐射热流调控器件还包括一第三辐射体，所述第一辐射体夹设于所述第二辐射体与所述第三辐射体之间。
根据本公开的实施例，所述第三辐射体包括一第二极性材料层，所述第二极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧。所述第二极性材料层采用与第一极性材料层相同的结构和材料。
本公开的又一方面，提供了一种热流调节器，该热流调节器包括所述的辐射热流调控器件。
根据本公开的实施例，该热流调节器为热二极管、热三极管或热开关。
本公开的再一方面，提供了一种所述的辐射热流调控器件在热流调节中的应用。
(三)有益效果
本公开提出的这种基于微纳米结构阵列的辐射热流调控器件及其应用，该辐射热流调控器件至少包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括一相变材料层，所述相变材料层采用微纳米结构阵列。所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。本公开主要是利用相变材料层采用的微纳米结构阵列在相变前后导致的近场局域电磁态密度的显著差异，从而实现了对近场辐射热流的高效调控。
本公开提出的这种基于微纳米结构阵列的辐射热流调控器件及其应用，主要是基于相变材料的微纳米结构阵列实现了较大的局域电磁态密度的差异，这主要是因为金属相的微纳米结构支持宽谱的双曲模式，从而有助于实现大的正向热流，而绝缘体相的微纳米结构的局域电磁态密度则由于辐射体体积的减少而大幅度减少，导致了很小的反向热流。
本公开提出的这种基于微纳米结构阵列的辐射热流调控器件及其应用，该辐射热流调控器件可以通过改变触发机制或是与其他部件进行组合的方式来实现热二极管、热三极管、热开关等功能。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1A为本公开采用的不同类型的微纳米结构阵列示意图；
图1B是依照本公开实施例的一种辐射热流调控器件的结构示意图；
图2为本公开提供的一种第一辐射体示意图；
图3为本公开提供的一种第二辐射体示意图；
图4为本公开提供的一种含有两个辐射体的辐射热流调控器件示意图；
图5为本公开提供的一种含有三个辐射体的辐射热流调控器件示意图；
图6为不同非金属材料和金属材料的随机组合的多层结构基底示意图；
图7为基于热辐射的热二极管的原理示意图；
图8为将微纳结构阵列视为均匀的等效介质示意图；
图9为一种近场辐射热二极管示意图；
图10为半无限大纳米圆柱阵列结构的cBN、金属相VO2上方100nm处的局域电磁态密度；
图11为半无限大纳米圆柱阵列结构的cBN、绝缘体相VO2上方100nm处的局域电磁态密度；
图12为一种近场辐射热二极管示意图；
图13为两种不同结构的近场热辐射热二极管在正、反向温度偏置下的辐射热交换系数图；
图14为一种近场辐射热二极管示意图；
图15为两种不同结构的近场热辐射热二极管在正、反向温度偏置下的辐射热交换系数图；
图16为一种辐射热二极管的正向热流、反向热流与整流比随两个辐射体之间间距的变化情况；
图17为一种近场辐射热二极管示意图；
图18为一种近场辐射热二极管示意图；
图19为一种近场辐射热二极管示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在本公开中，除非有特殊说明，V/V表示体积百分比。
为了设计出热流调控能力尽可能大的近场辐射热流调控器件，本公开基于相变材料微纳米结构阵列的辐射体来构造在特定频率段内尽可能大的局域电磁态密度的差异，充分利用相变材料层采用的微纳米结构阵列在相变前后导致的近场局域电磁态密度的显著差异，从而实现了对近场辐射热流的高效调控。该辐射热流调控器件可以通过改变触发机制或是与其他部件进行组合的方式来实现热二极管、热三极管、热开关等功能。
进一步地，为了优化近场辐射热流调控能力，本公开还通过匹配含有极性材料的另一辐射体，利用极性材料的窄带选择性辐射能力将这些大的局域电磁态密度的差异转换为大的辐射热流，从而实现高性能的辐射热流调控器件。
在近场热辐射中，主要由三种不同的电磁模式(即不同频率、波矢的电磁波)参与热量的输运：传播模式(在真空中传播)、沮挫模式(在介质中传播、在真空中衰减)和表面模式(在介质、真空中均衰减)。通过将支持表面波的材料进行纳米结构化(如纳米圆柱阵列)，形成各向异性的双曲型超材料，即支持双曲型的色散关系，可以激发出双曲电磁模式。从而能在很宽的频率区间内实现大的近场辐射热流。对于双曲超材料而言，其支持的双曲模式本质上是一种特殊的沮挫模式，双曲模式可以在宽频率段、宽波矢空间内提供更多的有效辐射换热通道，实现宽频率段的强辐射。本发明主要基于双曲超材料来实现对辐射热流的调控。
在本公开中，实现大的热流调控的关键在于基于相变材料微纳米结构阵列，该微纳米结构阵列可以是柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合，其中柱状阵列可以是圆柱阵列，二维光栅可以是二维矩形光栅，叠层结构可以是周期性叠层结构，如图1A所示，图1A为本公开采用的不同类型的微纳米结构阵列示意图。
在相变材料处于金属相时，该微纳米结构阵列是一个双曲超材料层，能够在很宽的频率区间内支持双曲模式，在对应频率区间内形成了很大的局域电磁态密度；而当相变材料处于绝缘体相时，该微纳米结构阵列只能在很窄的频率段内支持双曲模式或是不支持双曲模式，而由于辐射体的体积相对于同等厚度层状薄膜结构较小，在不支持双曲模式的频率段的局域电磁态密度被削弱。
在本公开中，进一步通过采用较薄的相变材料层，可以进一步地增大相变前后的局域电磁态密度的差异。
进一步地，本公开选用极性材料作为另一侧的辐射体，利用其具有窄带强辐射的表面声子极化激元模式(薄膜结构)或是双曲模式(微纳米结构阵列)，能够筛选出相变层所形成的局域电磁态密度较大的频率段主导辐射换热，从而实现大的辐射热流的调控能力。通过将该相变材料层和极性材料层置于含金属层的基底之上用于屏蔽背面热辐射，从而可以将该辐射体置于任意材料之上而不会影响器件的辐射热流调控性能。
为了利用相变材料微纳米结构阵列获得尽可能大的局域电磁态密度的差异，本公开提供了以下实施例：
如图1B所示，图1B是依照本公开实施例的一种辐射热流调控器件的结构示意图，该辐射热流调控器件至少包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体包括一相变材料层，所述相变材料层采用微纳米结构阵列。其中，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。
如图2所示，图2为本公开提供的一种第一辐射体示意图。所述第一辐射体设有相变材料层，所述相变材料层为相变材料微纳米结构阵列，在本实施例中微纳米结构阵列采用柱状阵列，所述相变材料层覆盖于所述金属基底上。
在本公开实施例中，所述相变材料为金属-绝缘体相变(Metal-insulatortransition，MIT)材料，由于MIT材料在相变前后存在较大的近场辐射能力的差异，特别是本公开中通过将MIT材料设计为微纳米结构阵列，并且将其覆盖在含金属层的基底之上，通过应用MIT微纳米结构阵列可以实现更强的基于双曲模式的近场辐射热流的调控。
在本公开实施例中，所述相变材料层的厚度为1nm-10mm，可选地，所述相变材料层的厚度为10nm-1μm，进一步可以为10nm-500nm，更进一步可以为10nm-100nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。
所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为0.1％-70％，可选地，所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为1％-30％，进一步可以为1％-10％(V/V)，更进一步可以为1％-5％(V/V)，例如1％、2％、3％、4％、5％等。
所述相变材料层采用金属-绝缘体相变材料。所述金属-绝缘体相变材料是选自AIST(即Ag、In、Sb、Te合金)、LCSMO(La0.7Ca0.15Sr0.15MnO3)、矾的氧化物(例如VO2、VO、V2O3、V4O7等)、钛的氧化物(例如Ti2O3、Ti3O5等)、钙钛矿型稀土过渡金属氧化物(ABO3(A稀土元素，B过渡金属元素)，例如SmNiO3、LaCoO3、PrNiO3、NdNiO3等)、四氧化三铁(F3O4)、二氧化铌(NbO2)、Pr0.7Ca0.3MnO3所组成群组中的任一种或多种的组合。可选地，所述金属-绝缘体相变材料为矾的氧化物，所述矾的氧化物为二氧化钒。
在本公开实施例中，进行辐射热流调控主要依赖于相变材料的微纳米结构阵列在发生相变前后所引发的巨大的局域电磁态密度的变化。局域电磁态密度指的是在辐射体表面上方单位空间区域内、单位频率区间内所能允许的电磁模式的数量，局域电磁态密度越大，往往对应的辐射体的近场辐射能力越强。因此，相变层在相变前后所引发的巨大局域电磁态密度的变化，意味着辐射体的近场热流传输能力的显著变化。而对于基于微纳米结构阵列的相变超材料而言，适当小的相变材料占比，能够有效减少双曲超材料的非双曲频率段的局域电磁态密度，从而实现巨大的局域电磁态密度的差异，这是本发明进行高效热整流的关键。因此，在优选的技术方案中，相变层的相变材料含量为1％-5％(V/V)，V/V是体积百分比。
在本公开实施例中，所述第一辐射体还包括一第一基底，所述相变材料层设置于所述第一基底表面。所述第一基底包括一第一金属层，所述第一金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第一金属层的体积百分比至少为30％，可选为50％(V/V)以上，更可选为70％(V/V)以上，例如70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％等。所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第一金属层的距离为10nm-100mm。进一步可以为500nm-5μm，例如500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm、5000nm等。所述第一金属层的厚度为1nm-100mm，可选地为1nm-1μm，更进一步可以为10nm-100nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。所述第一金属层的材料选自银(Ag)、金(Au)和铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)中的一种或两种以上的合金。
在本公开实施例中，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为10nm-1cm，可选地，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为100nm-10m，例如100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm等。
在本公开实施例中，进行辐射热流调控主要依赖于双曲模式，这种双曲模式是一种倏逝波，在真空或空气中会呈指数衰减，辐射体间距对热流调控性能的影响主要体现在双曲模式特征随间距的变化上。由于双曲模式的强度随着辐射体间距的增大而指数衰减，当辐射体间距较大时(如＞50μm)，此时表面模式的强度显著下降，基于双曲模式的近场辐射热流调控也就变得十分微弱了。根据本公开，当两个辐射体之间的间距为10μm时，仍具有一定的辐射热流调控能力，因此在可选地技术方案中，两个辐射体之间的间距为10μm以下。
在本公开实施例中，所述第二辐射体包括一第一极性材料层，所述第一极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧，所述第一极性材料层的厚度为1nm-100mm，可选地为10nm-1μm，更可选地为10nm-500nm，进一步更可选地为10nm-100nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。
在本公开实施例中，第一辐射体中的相变材料层与第二辐射体中的极性材料层之间的近场热辐射最为关键，因此，在满足所述相变材料层和所述极性介电体层的距离为10nm-10μm的条件下，如果在所述相变材料层表面和/或所述极性介电体层的表面增设厚度不超过1μm的覆盖层(例如增设孔隙或非金属材料占比＞20％的覆盖层)，仍在本公开的保护范围之内。
在本公开实施例中，所述第一极性材料层采用微纳米结构阵列，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅、叠层结构、微粒填充的基质所组成群组中的任一种或多种的组合。
在本公开实施例中，所述第一极性材料层采用的极性材料是选自立方氮化硼(cBN)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、六角氮化硼(hBN)、氮化镓(GaN)、氧化镁(MgO)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、蓝宝石、碲化镉(CdTe)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)、二氧化硅(SiO2)、溴化银(AgBr)、氯化银(AgCl)、氯化钠(NaCl)、溴化钾(KBr)、氯化钾(KCl)、氟化钡(BaF2)、氟化铯(SrF2)、氟化钙(CaF2)、氟化锂(LiF)所组成群组中的任一种或多种的组合。可选地，所述极性材料选自立方氮化硼(cBN)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)、六角氮化硼(hBN)、氮化镓(GaN)、氧化镁(MgO)中的一种或两种以上的组合。
在本公开实施例中，所述第二辐射体还包括一第二基底，所述第一极性材料层设置于所述第二基底表面，且所述第二基底设置于远离所述第一辐射体的一侧。所述第二基底包括一第二金属层，厚度为1nm-100mm；所述第二金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第二金属层的体积百分比至少为30％，可选地为50％(V/V)以上，进一步可以为70％(V/V)以上，例如70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％等。
在本公开实施例中，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第二金属层的距离为10nm-100mm，可选地为500nm-5μm，例如500nm、1000nm、1500nm、2000nm、2500nm、3000nm、3500nm、4000nm、4500nm、5000nm等。所述第二金属层的厚度为1nm-100mm，可选地为1nm-1μm，进一步可以为10nm-100nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。所述第二金属的材料选自银(Ag)、金(Au)和铝(Al)、铜(Cu)、铬(Cr)、锌(Zn)、铁(Fe)、镍(Ni)中的一种或两种以上的合金。
如图3所示，图3为本公开提供的一种第二辐射体示意图。所述第二辐射体在靠近所述第一辐射体的一侧设有第一极性材料层，所述第一极性材料层为微纳米结构阵列；所述第一极性材料层覆盖于金属基底上。
在本公开实施例中，所述第一辐射体含有相变材料微纳米结构阵列，所述第二辐射体含有极性材料微纳米结构阵列，所述相变材料微纳米结构阵列和所述极性材料微纳米结构阵列都覆盖在金属基底之上，如图4所示。通过将所述相变材料层和所述极性材料层减薄，可以有限减少传播模式和沮挫模式的贡献，从而使得双曲模式的变化主导近场辐射热流的变化，有助于实现更好的热流调控性能。
在本公开实施例中，所述第一辐射体和第二辐射体的间距为100nm；所述相变材料层厚度为200nm；所述相变层覆盖于第一基底上，所述金属基底中含有金属材料，所述金属材料占所述金属基底的50％。
在本公开实施例中，所述金属基底选用反射率较高的金属材料(如银、金、铝、铜、铬、锌、铁、镍等)。
在本公开实施例中，所述极性材料层为块材，在具体的实施例中其厚度为5mm；所述相变材料层的厚度10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。
在本公开实施例中，所述第一辐射体含有相变材料微纳米结构阵列，所述第二辐射体含有极性材料微纳米结构阵列，此时该辐射热流调控器件的两侧辐射体均支持双曲模式。对于该器件，通过采用合适的MIT材料和极性材料的组合，可以使得在MIT材料处于金属相时两个辐射体的双曲频率段发生重叠，在重叠的双曲频率段处两个辐射体均有很大的局域电磁态密度，从而实现大的辐射热流，而在MIT材料处于绝缘体相时实现两个辐射体的双曲频率段的分离，此时两个辐射体的局域电磁态密度密度的峰在频率上并不匹配，因此两侧辐射体之间不具备有效的电磁传输通道，所以热流传输受到较大抑制，导致辐射热流很小。
根据本发明所述的辐射热流调控器件，至少包含第一辐射体和第二辐射体，在此基础上，还可以层叠设置更多的辐射体，这也在本发明的保护范围之内。
在本公开实施例中，提供一种含有三个辐射体的辐射热流调控器件(具体可为热三极管器件)，除第一辐射体和第二辐射体外，还含有第三辐射体，所述第一辐射体夹设于所述第二辐射体与所述第三辐射体之间，如图5所示。所述第三辐射体包括一第二极性材料层，所述第二极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧。所述第二极性材料层采用与第一极性材料层相同的结构和材料。
在本公开实施例中，微纳米结构阵列的金属基底，即第一基底或第二基底，可以是完全的金属层，也可以是各种金属层与非金属层的随机组合，如图6所示，只需要该基底整体具备较大的反射率即可。
在本公开实施例中，对于极性材料层，主要利用的是该材料的窄带辐射能力。如果该极性材料层为薄膜，则支持表面声子极化激元，具备准单色的近场辐射换热能力，而若改极性材料层为微纳米结构阵列，则可以支持双曲模式，同样在较窄的频率段具备很强的近场热辐射能力。这样的窄带辐射能力可以有效筛选出第一辐射体所形成的较大局域电磁态密度的频率段来主导辐射换热，从而实现大的热流调控能力。辐射热流的调控性能受到极性材料层的极性材料占比、结构特征(薄膜或是微纳米结构阵列)、厚度和其基底的影响并不大。在具体的实施方式中，可以设置第二金属层，这是因为金属层的存在可以较好地抑制辐射热流中的传播波的成分，提高热流中表面模式贡献的占比。在其他具体的实施方案中，可以设置第二基底，可以根据实际加工制备的考虑(如成本、机械性能稳定性等等)对其基底进行灵活设计。
在下文中，本公开的热流调控器件以热二极管为典型进行阐述(如图7所示)，但这并不表示限制本公开的热流调控器件仅可以用作热二极管，其可以通过改变触发机制或与其他部件进行组合的方式来实现热三极管、热开关等功能。
在热辐射中，辐射热流的大小主要取决于辐射换热通道的热量传输能力和每一份能量子的能量大小。其中，辐射通道的传输能力主要取决于辐射体的物性和结构参数，而每一份能量子(对热辐射电磁波进行量子化)的能量主要取决于辐射体所处的温度。根据本公开所提供的热流调控器件，通过对辐射体物性(相变材料和极性材料的组合)和结构(材料的厚度和不同材料的空间组合)的设计，实现了在相变材料发生相变前后，辐射换热通道的传输能力发生较大的变化。这是本公开实现辐射热流高效调控的基本原理，可以从两个辐射体(如图5所示)推演至三个乃至多个辐射体之间的辐射换热过程。如对于三个辐射体所组成的辐射换热体系(如图6所示)，其中间辐射体中的相变材料在电、光、热等信号下发生相变时，会导致相邻辐射体之间的换热通道的传输能力均发生显著变化，因此整个体系中的辐射热流就会发生明显改变。因此，当应用于热三极管时，本公开提供的热流调控器件也具有高效的热流调控能力。
在计算中，首先需要对周期性的纳米圆柱阵列结构做等效介质处理。即将其看做一个均匀介质。由等效介质理论可知，当圆柱的直径远小于所研究的光波长时，可以将该超材料视为单光轴各向异性的等效介质，该等效介质的光轴方向为界面的法向方向，如图8所示。对于该等效介质，其沿着光轴方向和垂直于光轴方向的介电常数(分别为εo和εe)可以由Maxwell Garnett模型极性描述，即
Figure BDA0003251993410000131
εe＝fε+(1-f)， (2)
其中f是圆柱阵列的填充因子(即体积占比)，ε为圆柱材料的介电常数，在该介质中p偏振电磁波的色散关系是
Figure BDA0003251993410000132
其中κ是面内方向的横向波矢，γm是法向波矢。从公式(3)中可以看出，当等效介电常数εo和εe异号时，该等效介质的色散关系是双曲型的，此时该辐射体支持双曲模式，这种超材料也叫做双曲超材料。双曲超材料由于可以实现在宽的频率和波矢空间实现高效的辐射能量传输，因此被认为有望实现在近场热辐射领域的准黑体辐射，可以用来提高辐射体之间的辐射换热系数。值得注意的是，并不是所有材料类型都能通过纳米结构化而成为双曲超材料，双曲超材料要求原材料在特定频率段的介电常数实部为负，如金属的红外频率段、极性材料的Reststrahlen频率段等。对于基于MIT材料和极性材料组合的近场辐射热流调控器件，在MIT材料为金属相时，金属超材料往往较为容易在红外频率段实现很宽的双曲频率段因此易于与另一侧辐射体的双曲频率段发生重叠，则可以得到很大的辐射热流；而我们只需要选择合适的极性材料，使其Reststrahlen频率段(极性材料中介电常数实部为负的频率段)与MIT绝缘体相的介电常数为正的频率段重叠，即可使两种材料的微纳米结构不会产生重叠的双曲频率段，此时辐射热流很小，从而可以实现有效的辐射热流调控。
基于波动电动力学理论，两个半无限大的平行平面结构之间的辐射热流计算公式为：
Figure BDA0003251993410000141
其中，Θ(ω，T)是普朗克振子的平均能量，T是辐射体的温度，d是两个辐射体的间距，
Figure BDA0003251993410000142
和
Figure BDA0003251993410000143
分别为s偏振和p偏振电磁波的能量传输系数。
通过计算不同温度偏置方向下的热流，可以进一步计算得到热二极管的核心性能参数——整流比R，其定义为正反向热流之差与较小的反向热流的比值，即
R＝(QF-QR)/QR
其中，QF为正向热流(热流较大)，QR为反向热流(热流较小)。
正向情形是相变层一侧的辐射体处于高温时(此时相变材料为金属相)，此时的辐射热流为较大的正向热流，而反向情形则是相变层一侧的辐射体处于低温时(此时相变材料为绝缘体相)，此时的辐射热流为较小的反向热流。通过计算不同温度情形下的辐射热流大小，即可以得到正反向热流，从而进一步计算得到整流比。
进一步地，根据本公开的又一方面，提供了一种热流调节器，该热流调节器包括所述的辐射热流调控器件。其中，该热流调节器为热二极管、热三极管或热开关。
进一步地，根据本公开的再一方面，提供了一种所述的辐射热流调控器件在热流调节中的应用。
实施例1
本实施例选取二氧化钒(VO2)作为相变层的相变材料，取立方氮化硼(cBN)作为极性材料层的极性材料，相变层和极性材料层都是半无限大厚的周期性纳米圆柱阵列结构，如图9所示，两者均为超材料，两个辐射体之间的间距为100nm。
图10给出了金属相VO2超材料和cBN超材料上方100nm处的局域电磁态密度，此时金属相VO2在很宽的频率区间(1×1013rad/s至6×1014rad/s)内都支持双曲模式，与cBN的双曲频率段发生重叠，在这个重叠的双曲频率区间中，由于两个辐射体都支持很大的局域电磁态密度，所以可以形成很大的辐射热流。
图11给出了绝缘体相VO2超材料和cBN超材料上方100nm处的局域电磁态密度，此时绝缘体相VO2在较窄的频率区间内支持双曲模式，绝缘体相VO2和cBN的双曲频率段没有重叠，意味着两个辐射体的辐射能量传输通道在频率上并不匹配，故而此时的辐射热流很小。
由于VO2的名义相变温度是～341K，在计算中取高温为351K，低温为331K。计算时取VO2圆柱和cBN圆柱的填充因子均为0.2，计算得到的整流比为3。
类似地，可采用其他相变材料如AIST(银-铟-锑-碲合金)、LCSMO(La0.7Ca0.15Sr0.15MnO3)用于本公开提供的辐射热流调控器件的第一辐射体，可采用其他极性介电体材料如碳化硅(SiC)、六角氮化硼(hBN)等用于发明提供的辐射热流调控器件的第二辐射体。
实施例2
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层和极性材料层均为悬空的1m厚纳米圆柱阵列薄层，如图12所示，两个纳米圆柱阵列的填充因子均为0.2，两个辐射体之间的间距为100nm。
图13是不同热二极管构型下的正、反向情形的辐射能量交换系数图，图中每个点对应特定频率和横向波矢下的能量传输通道，越明亮则代表该通道的能量传输能力越强。根据图13的辐射能量交换系数图可知，通过将相变层由半无限大厚变更为的悬空薄层，正向情形中仍存在较强的双曲模式，而在正向和反向温度偏置方向下的传播模式和沮挫模式都被显著削弱。这说明减小纳米圆柱阵列层的厚度可以有效削弱非双曲模式对热辐射的贡献，从而可以利用双曲模式的强度变化来实现较大的辐射热流调控能力。因为一般而言沮挫模式和传播模式均是在介质内部可以传播的电磁模式，所以沮挫模式和传播模式的强度主要来源于辐射体内部不同区域内的随机热运动的带电粒子所产生的电磁波贡献的总和，减小体积可以减少对沮挫模式和传播模式起到贡献的区域从而削弱其强度。
本实施例计算得到的整流比是68，比半无限大厚度的情形大了20多倍，证明了将纳米圆柱阵列减薄对于提高热整流性能的显著效果。
实施例3
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层和极性材料层均为纳米圆柱阵列薄层并覆盖在半无限大的银基底上，如图14所示，两个纳米圆柱阵列的厚度均为1m厚，填充因子均为0.2，两个辐射体之间的间距为100nm。
根据图15的辐射能量交换系数图可知，通过在相变层和极性材料层下方加入金属基底，几乎不影响该热二极管在正、反向情形下的近场热辐射特征。并且，加入了金属基底不仅是纳米圆柱阵列的支撑层，同时也能屏蔽其背面的热辐射，使得该热二极管可以放置在任何介质之上而不影响其热整流性能。
本实施例计算得到的整流比是50，与未加入基底时的整流比(R＝68)大小相当。
实施例4
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层和极性材料层均为纳米圆柱阵列薄层并覆盖在半无限大的银基底上，两个辐射体之间的间距为100nm。
相比于实施例3，本实施例将VO2阵列厚度改为100nm，填充因子为0.02，cBN阵列厚度改为5m，填充因子为0.15。本实施例所采用的结构参数是在100nm间距下经过优化后的值，计算得到的整流比是173。
图16给出了本实施例在不同间距下的正、反向热流和整流比的结果，可以看到本实施例在较大的间距范围内都能得到好的热整流性能(R＞10)。
实施例5
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层为半无限大的圆柱阵列，极性材料层为纳米圆柱阵列薄层并覆盖在半无限大的银基底上(如图17所示)，两个辐射体之间的间距为100nm。
在本实施例中，VO2阵列的填充因子为0.02，cBN阵列厚度为5m，填充因子为0.15，计算得到的整流比为39。
实施例6
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层为纳米圆柱阵列薄层并覆盖在半无限大的银基底上，极性材料层为半无限大的圆柱阵列，如图18所示，两个辐射体之间的间距为100nm。
在本实施例中，VO2阵列厚度为100nm，填充因子为0.02，cBN阵列的填充因子为0.15，计算得到的整流比为131。
实施例7
本实施例的相变层和极性材料层的材料同实施例1，相变层为纳米圆柱阵列薄层并覆盖在半无限大的银基底上，极性材料层为薄膜结构，如图19所示，两个辐射体之间的间距为100nm。
在本实施例中，VO2阵列厚度为100nm，填充因子为0.02，cBN薄膜的厚度为5m，计算得到的整流比为36。
至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
当然，根据实际需要，本公开还可以包含其他的部分，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
此外，说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。
虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。
虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种辐射热流调控器件，其特征在于，该辐射热流调控器件至少包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体，其中：
所述第一辐射体包括采用金属-绝缘体相变材料的一相变材料层，所述相变材料层采用微纳米结构阵列，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅一种或两种的组合；
所述第二辐射体包括一第一极性材料层，所述第一极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧，所述第一极性材料层的厚度为1 nm-100 mm，所述第一极性材料层采用微纳米结构阵列，所述微纳米结构阵列为柱状阵列、二维光栅一种或两种的组合；
该辐射热流调控器件两侧的第一辐射体和第二辐射体均支持双曲模式。
2.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述相变材料层的厚度为1nm-10 mm。
3.根据权利要求2所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述相变材料层的厚度为10nm-1 μm。
4.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为0.1%-70%。
5.根据权利要求4所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述相变材料层中相变材料的体积百分比含量为1%-30%。
6.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述金属-绝缘体相变材料是选自Ag、In、Sb、Te合金，La0.7Ca0.15Sr0.15MnO3，矾的氧化物，钛的氧化物，钙钛矿型稀土过渡金属氧化物，四氧化三铁，二氧化铌，以及Pr0.7Ca0.3MnO3所组成群组中的任一种或多种的组合。
7.根据权利要求6所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述矾的氧化物为二氧化钒。
8.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一辐射体还包括一第一基底，所述相变材料层设置于所述第一基底表面。
9.根据权利要求8所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一基底包括一第一金属层，所述第一金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第一金属层的体积百分比至少为30%。
10.根据权利要求9所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第一金属层的距离为10 nm-100 mm。
11.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为10 nm-1 cm。
12.根据权利要求11所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间的间距为100 nm-10μm。
13.根据权利要求1所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一极性材料层采用的极性材料是选自立方氮化硼、碳化硅、二氧化硅、六角氮化硼、氮化镓、氧化镁、硒化锌、硫化锌、蓝宝石、碲化镉、溴化铯、碘化铯、溴化银、氯化银、氯化钠、溴化钾、氯化钾、氟化钡、氟化铯、氟化钙、氟化锂所组成群组中的任一种或多种的组合。
14.根据权利要求13所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第二辐射体还包括一第二基底，所述第一极性材料层设置于所述第二基底表面，且所述第二基底设置于远离所述第一辐射体的一侧。
15.根据权利要求14所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第二基底包括一第二金属层，厚度为1 nm-100 mm；所述第二金属层中含有金属材料，所述金属材料占所述第二金属层的体积百分比至少为30%。
16.根据权利要求15所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第一辐射体与所述第二辐射体之间垂直线中点距所述第二金属层的距离为10 nm-100 mm。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的辐射热流调控器件，其特征在于，该辐射热流调控器件还包括一第三辐射体，所述第一辐射体夹设于所述第二辐射体与所述第三辐射体之间。
18.根据权利要求17所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第三辐射体包括一第二极性材料层，所述第二极性材料层设置于靠近所述第一辐射体的一侧。
19.根据权利要求18所述的辐射热流调控器件，其特征在于，所述第二极性材料层采用与第一极性材料层相同的结构和材料。
20.一种热流调节器，其特征在于，该热流调节器包括权利要求1至19中任一项所述的辐射热流调控器件。
21.根据权利要求20所述的热流调节器，其特征在于，该热流调节器为热二极管、热三极管或热开关。
22.一种权利要求1至19中任一项所述的辐射热流调控器件在热流调节中的应用。
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