基于相变材料VO2薄膜的可调谐智能中红外热控制发射器

论文信息：

Shiri Liang, Feng Xu, Wenxi Li, Wenxing Yang, Shubo Cheng, Hua Yang, Jing Chen, Zao Yi, and Peipei Jiang, Tunable smart mid infrared thermal control emitter based on phase change material VO2 thin film, Applied Thermal Engineering 232, 121074 (2023).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121074

本刊发表西南科技大学易早教授和长江大学程书博副教授合作的最新工作：Tunable smart mid infrared thermal control emitter based on phase change material VO2 thin film （论文链接https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121074 ），设计了一种基于相变材料VO2的多层膜叠层结构结构，研究了该结构不同温度下的吸收与辐射性能，并获得了优越的结果，分析了该结构的最佳的发射调节能力并展望了这种智能热控制发射器在辐射冷却以及工程保温方面的应用。此项工作发表在中科院一区期刊Applied thermal engineering上.

研究背景

在热辐射调控研究中，中红外波段的热辐射成为关注的焦点。通过调控中红外波段的热辐射，可以实现对物体温度的调节和控制，以及对能量传输和热量流动的调控。这在能源转换、热管理、纳米材料、光学器件、生物医学等领域具有重要意义。目前，热发射率的静态控制还无法满足实际应用的要求，因此需要采用热辐射的动态控制装置。

研究内容

本文研究了一种基于相变材料二氧化钒形成的层状结构的智能热控制发射器。二氧化钒的转变变性可以实现从高温散热到低温保温的转换过程。当其处于高温金属状态时，该结构的发射率为0.78，半峰宽最大值为8.03 μm。由斯蒂芬-玻尔兹曼定律，实现了有效的热辐射耗散。另一方面，当结构处于低温介电状态时，其具有较低的吸收能力，发射率为0.10，从而避免了过多的热损失。通过使用具有温度可切换行为的热致变色材料二氧化钒，实现了优异的发射调制效果和热稳定性。此外，热控制发射器，利用其谐振腔，使峰值波长具有可调性，并在偏振角和入射角方面表现出一定程度的无关性。所设计的发射体结构简单易制造，在工程保温材料、红外伪装和热管理等方面具有广阔的应用前景。

图1 智能热控制发射器结构示意图

图2 VO2处于高低温情况下，所对应TE，TM的偏振吸收

从图2中，可以清晰地看出，对于高温时，涂层可以获得高发射率，以此来抑制过热效应，保持热稳定；而低温时，无需调制，涂层就可以呈现出低发射率。由此表明，热控涂层可以有效解决因热效应而造成的器件本身损伤，灵敏度降低，减少使用寿命等一系列问题。在整个过程温度可控，热量变化明显。在高温金属态VO2作用过程中，我们可以将整个结构看成类似MIM体系，其出现明显的共振波长，位于7.70μm，吸收率达到了98.8%，FWHM为8.03μm，包含了整个5-13μm区域，能够有效散失热量达到冷却效果。并且，对于热控涂层而言，偏振特性也是影响其能否投入实际生产应用的因素之一。由于叠层结构的物理特性，TE,TM变化前后，发射率基本一致，整个过程是与偏振状态无关。

图3底层二氧化钒、中间介电层Ge和顶层二氧化钒分别对应于中间红外范围内的发射率。

除外，在探究热控涂层的红外发射性能的过程中，我们依次确定了各层的理想结构参数。其中，随着介电层Ge的厚度h3逐渐增加时，发射涂层表面产生相消干涉导致吸收峰出现红移如图3(b)所示。而后，我们观察图3(c)可得，当h4处于10nm-30 nm区间内时，红外发射在6-10 μm相对较大。若顶层厚度较大，涂层的消光效应将降低，导致高温较低发射，由此顶层厚度需要相对较薄。其中，为避免过小的VO2厚度在实际生产应用中的难度，我们取h4=10nm。在以上结构参数下，在5-13μm波段的高温发射率，低温发射经计算分别为0.78，0.10。辐射调节能力达到了0.68，该涂层可以较好地进行热控过程。

图4对应高、低温下7.69 μm XOZ平面的电场

图5对应于高、低温下在7.69 μm处XOZ平面的功率耗散密度

结论与展望

综上所述，我们利用相变材料VO2薄膜设计了微纳光学多层结构，实现了具有可切换效果的智能热控制。在高温金属态下，该结构在中红外范围内的发射率为0.78，而在低温介电态下，该结构的发射率接近0.10，发射调节能力为0.68，可以有效地维持温度切换引起的热稳定性。此外，通过模拟不同结构层的参数变化得到的发射射光谱，确定了理想参数和峰值波长的选择性。此外，还通过电场分布和功率耗散密度解释了高低温发射差异的物理机制。在不同的入射角和偏振态下，结构发射率与偏振无关。这种结构简单、高性能的中红外热控制发射器在工程保温、热管理和辐射冷却中具有重要意义。

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