CN116774331A - 光谱选择性非对称热辐射器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种光谱选择性非对称热辐射器件及其制备方法，辐射器件由多个非对称单元构成，每个非对称单元包括反射面和辐射面，反射面上设置有红外反射层，辐射面上设置有光谱选择层，光谱选择层采用对特定谱段具有吸收效果的材料；辐射面与底面的夹角α，反射面与底面的夹角β，α+β≥90°，通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度调控范围为负90°至90°。此外，针对上述结构提出了一种工艺简单的制备方法。本发明通过指定角度调控热辐射的方向，可以实现红外波段的角度非对称定向热辐射，通过光谱选择层调控热辐射的波长，可以实现红外波段的光谱选择性发射，从而实现热探测、热成像和能源设备的高热辐射效率。

Description

光谱选择性非对称热辐射器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及热辐射技术领域，具体提供一种光谱选择性非对称热辐射器件及其制备方法。

背景技术

热辐射本质上是宽带、非相干、无方向性的，任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射能量，热辐射的光谱控制和方向控制一直是一个难题。光谱选择性定向热辐射可以提高能量传递效率，减少在非目标方向和波长上的能量损失。光谱选择性定向热辐射在热成像和传感、近场传热、辐射制冷、红外加密等领域有重要的应用前景。

传统的热辐射材料比如黑体，往往是无光谱选择性且无角度选择性的，并不适用于红外探测，能源利用等领域。目前利用光子晶体，超表面等结构可以实现调控热辐射的时间相干性和空间相干性，但他们的发射率往往是对称分布的，例如2021年发表在science上面的“Broadband directional control of thermal emission”，使用了ENZ材料，能够实现宽光谱大角度定向热辐射，但是仍然是对称分布和具有偏振依赖特性的。也部分研究通过周期光栅或者多层膜结构调控热辐射，但往往是窄带窄角度且具有偏振依赖的，缺乏光谱选择性和角度选择性的调控。而红外传感、红外成像、辐射制冷等应用需要在特定红外波段、较大角度范围内实现热辐射调控，因此需要能够同时调控辐射角度和对应的红外光谱。

因此，同时具有光谱选择性和角度选择性的非对称热辐射器件，对于光谱选择的定向热辐射是十分重要的。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种光谱选择性非对称热辐射器件，仅对特定谱段的入射波进行辐射，实现具有光谱选择性、偏振无依赖性、角度非对称且可调控的定向辐射。

本发明提供的光谱选择性非对称热辐射器件，包括多个非对称单元，每个非对称单元包括反射面、辐射面和底面，反射面上设置有红外反射层，辐射面上设置有光谱选择层，光谱选择层采用对特定谱段具有吸收效果的材料，光谱选择层的底面上还设置有一层红外反射层，所述特定谱段与需要定向辐射的谱段相同，底面的宽度大于或等于50微米；

辐射面与底面的夹角α，反射面与底面的夹角β，且α+β≥90°，通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度调控范围为负90°至90°。

优选的，非对称单元对不同入射角的入射波具有不同作用：

当入射角θ≤负β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用；

当入射角负β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用；

当入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起吸收作用；

其中，底面的法线方向为0°，反射面方向为负值区，辐射面方向为正值区；

通过调整反射面与底面的夹角β，改变反射区、过渡区和吸收区的范围。

优选的，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β均相同，且满足0.1≤tanβ≤10。

优选的，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β依次递增或递减。

优选的，反射面和/或辐射面为自由曲面。

一种光谱选择性非对称热辐射器件的制备方法，包括以下步骤：利用模具倒模获得具有多个非对称单元的结构，在具有多个非对称单元的结构上完全覆盖一层红外反射层，在完全覆盖的红外反射层上覆盖一层光谱选择层，最后仅在反射面上覆盖一层红外反射层。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明通过调整非对称单元的反射面与底面的夹角β以及辐射面与底面的夹角α，可以实现发射率在空间上不同角度范围内的非对称的分布；可通过光谱选择层针对部分谱段进行辐射，实现光谱选择，并通过更换光谱选择层实现辐射谱段的调整，以满足不同的实际需求，该设计是本发明重要创新内容，具有极高的实际意义；并且将非对称单元的宽度设置为不小于50微米，有效避免了偏振依赖的问题。

本发明还提出了一种非对称单元的角度递增或递减的设计，该设计可以满足不同应用情景下，不同区域所需辐射角度范围存在差异的问题。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的光谱选择性非对称热辐射器件的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的反射区、过渡区和吸收区的辐射示意图；

图3是根据本发明实施例提供的热辐射器件的发射率随入射角变化图；

图4是根据本发明实施例提供的替换光谱选择层材料为PDMS的发射率随入射角变化图；

图5是根据本发明实施例提供的TE偏振模式下发射率随底面宽度的变化图；

图6是根据本发明实施例提供的TM偏振模式下发射率随底面宽度的变化图；

图7是根据本发明实施例提供的β角依次递增的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的结构图；

图8是根据本发明实施例提供β角依次递增的宽光谱非对称角度选择性热辐射器件的具体应用效果图；

图9是根据本发明实施例提供的光谱选择性非对称热辐射器件的制备流程图。

其中的附图标记包括：

反射面1、辐射面2、底面3、第一红外反射层4、光谱选择层5、基底6、第二红外反射层7。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供的光谱选择性非对称热辐射器件，包括多个结构相同的非对称单元，非对称单元由基底6和其表面上的镀层组成，基底6的材料可采用树脂或者其他任何材料，优选为适合倒模的聚合物材料，以便于通过倒模制备基底6。基底6呈现为三角形，包括反射面1、辐射面2和底面3，在基底6表面上镀有完全覆盖的第二红外反射层7，在完全覆盖的第二红外反射层7上镀有完全覆盖的光谱选择层5，最后仅在完全覆盖的光谱选择层5的反射面上覆盖一层第一红外反射层4。第一红外反射层4及完全覆盖的第二红外反射层7的红外反射率大于90%，可选择高反射率的银铝等金属，经测试确定，在基底6表面上形成100nm-400nm的银膜效果最好。光谱选择层5仅对特定谱段具有吸收效果，特定谱段即为需要进行定向辐射的谱段，因此，可以根据应用需求及材料的本征吸收调整光谱选择层5的应用材料，实现定向辐射的光谱选择性调节，光谱选择层5的发射率应当不低于0.2，依据实际需求更换光谱选择层5的应用材料使本发明的重要创新内容。

在本实施例中，主要是针对大气窗口的光谱选择性发射，选择4微米厚的氮化硅薄膜，当光谱选择层5采用氮化硅薄膜时，光谱选择层5的底面上还设置有一层第二红外反射层7，氮化硅在红外光谱范围内会产生较明显的发射峰或发射带，但氮化硅对可见光吸收相对较低，在可见光谱段具有较高的透明度，因此氮化硅无法对可见光谱段实现有效的反射，因此在氮化硅薄膜下方再设置一层银膜，将处于可见光谱段的入射波反射出去。

定义辐射面2与底面3的夹角为α，反射1面与底面3的夹角为β。为了实现定向辐射，并且克服偏振依赖，要求非对称单元的α＞β，底面3的宽度大于或等于50微米。基于以上结构，可以通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度为负90°至90°。

作为一种优选的实施例，多个非对称单元的辐射面2与底面3的夹角α均为90°，反射面1与底面2的夹角β均相同，且满足0.1≤tanβ≤10，此时非对称单元呈现为直角三角形，用H表示非对称单元的高度，即辐射面2的长度；W表示非对称单元3的宽度，即底面3的长度；r表示非对称单元的高度H与宽度W的比值。

如图2所示，以直角三角形的非对称单元为例，说明非对称单元对不同入射角的入射波具有的不同作用：

首先定义底面3的法线方向为0°，靠近反射面1方向为负值区，靠近辐射面2方向为正值区，入射波的入射角为θ。

当入射波的入射角θ≤负β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用，基于反射定律，所有入射波均会被反射出去；

当入射波的入射角负β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用，一部分入射波会入射在反射面1靠近顶部的位置，该部分入射波会被反射出去；另一部分入射波会入射在反射面1靠近底部的位置，该部分入射波被会被反射面1反射后打在辐射面2上，该部分入射波会被辐射面2吸收；

当入射波的入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起完全吸收作用，入射波一部分直接入射到辐射面2上，另一部分入射在反射面1，经反射后入射到辐射面2上。

基于以上原理分析可知，可通过调整反射面1与底面3的夹角β（即非对称单元的高宽比），改变反射区、过渡区和吸收区的范围。

如图3所示，仿真光谱选择性非对称热辐射器件对不同入射角的入射波的发射率，由于氮化硅材料固有属性，仅在大气窗口内有较强的吸收峰，因此仅在8-16微米出现较高的发射率。观察可知光谱图随角度变化整体呈现三个区域，即反射区、过渡区和吸收区，对应图上底部低发射率区域、中间中等发射率区域和顶部高发射率区域。

如图4所示，若将氮化硅材料替换为4微米厚的PDMS材料可实现8-14微米的光谱选择性非对称热辐射特性。

如图5和图6所示，固定非对称单元的高宽比为2:3时，当宽度从2μm到100μm逐渐增加时，发射率角度分布及数值大小随之发生变化，当宽度逐渐增加到50μm时，TE及TM偏振模式下有更多的发射率尖峰，且发射率尖峰的峰值也逐渐升高，这意味着宽度增加导致非对称单元对于特定波长范围的红外辐射具有更高的发射能力。证明红外辐射特性与非对称单元的尺寸之间有关，当宽度W超过50微米后，红外辐射性能稳定，两种偏振模式的发射率分布基本一致，此时已克服偏振依赖，因此，底面3的宽度应当在50微米以上，而现有技术中均是研究纳米级结构，受限于入射波的偏振态，这是本发明与现有研究的基础区别。

此外，反射面1和/或辐射面2还可以为自由曲面，例如：当反射面1为凸起或者凹陷的弧面时，此时β角则应是入射波与反射面1相交点处的弧面切线斜率，此时也可实现定向辐射，但辐射范围和角度会有所变化，基本原理并未发生改变；当辐射面2为凹陷的弧面时，与平面时情况基本一致，当辐射面2为凸起的弧面时，在平面状态下处于过渡区的一部分光原本会被射出去，但在弧面状态下其中的一部分会被辐射面2遮挡吸收，其基本原理仍未发生改变。

此外，如图7所示，非对称单元的反射面1与底面3的夹角β可能出现依次递增或递减，此时每个或每组非对称单元的β均不相同，可以对不同角度的入射波实现同向辐射，或者对相同角度的入射波实现不同角度的辐射，该设计较为贴近实际生产需求，如图8所示，如建筑物外墙的辐射制冷应用中，可根据周围建筑物遮挡情况，设计β渐变的非对称单元，以满足建筑物不同区域具有不同的辐射角度范围需求。

针对上述光谱选择性非对称热辐射器件，本发明还提出了一种制备方法，如图9所示，将PDMS溶液注入四周封闭且具备周期性反向直角三角形模具中，在75℃-80℃条件下加热定型，冷去固化后进行倒模，获得具有多个非对称单元的结构，在具有多个非对称单元的结构上采用磁控溅射或热蒸发形成100nm-500nm的银膜全覆盖；银膜稳定后，在银膜表面上生长4微米的氮化硅薄膜；氮化硅薄膜稳定后，通过调整样品与电子束镀膜方向之间的夹角，仅在反射面1的氮化硅薄膜上形成100nm-400nm的银膜，完成光谱选择性非对称热辐射器件的制备。该逐层镀膜的制备过程相比于传统的直接在两个面镀膜的方法，工艺过程更简单，并且在两个面相交处的工艺效果更好，劣品率更低。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光谱选择性非对称热辐射器件，其特征在于，包括多个非对称单元，每个非对称单元包括反射面、辐射面和底面，反射面上设置有红外反射层，辐射面上设置有光谱选择层，光谱选择层采用对特定谱段具有吸收效果的材料，光谱选择层的底面上还设置有一层红外反射层，所述特定谱段与需要进行定向辐射的入射波的谱段相同，底面的宽度大于或等于50微米；

辐射面与底面的夹角α，反射面与底面的夹角β，且α+β≥90°，通过改变α和β选择定向辐射角度，辐射角度为负90°至90°。

2.如权利要求1所述的光谱选择性非对称热辐射器件，其特征在于，非对称单元对不同入射角的入射波具有不同作用：

当入射角θ≤负β时，入射波处于反射区，非对称单元对入射波起反射作用；

当入射角负β≤θ≤90°－2β时，入射波处于过渡区，非对称单元对入射波起部分反射、部分吸收作用；

当入射角θ≥90°－2β时，入射波处于吸收区，非对称单元对入射波起吸收作用；

其中，底面的法线方向为0°，反射面方向为负值区，辐射面方向为正值区；

通过调整反射面与底面的夹角β，改变反射区、过渡区和吸收区的范围。

3.如权利要求1所述的光谱选择性非对称热辐射器件，其特征在于，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°反射面与底面的夹角β均相同，且满足0.1≤tanβ≤10。

4.如权利要求1所述的光谱选择性非对称热辐射器件，其特征在于，多个非对称单元的辐射面与底面的夹角α均为90°，反射面与底面的夹角β依次递增或递减。

5.如权利要求1所述的光谱选择性非对称热辐射器件，其特征在于，反射面和/或辐射面为自由曲面。

6.一种光谱选择性非对称热辐射器件的制备方法，其特征在于，利用模具倒模获得具有多个非对称单元的结构，在具有多个非对称单元的结构上完全覆盖一层红外反射层，在完全覆盖的红外反射层上覆盖一层光谱选择层，最后仅在反射面上覆盖一层红外反射层。