四川
论文信息：
Yifan Sun, Guoliang Chen, Qingze Chen, Haoyang Fu, Benzhi Min, Zhengwei Tao, Tongtong Yue, Junming Zhao, Jun Qiu, Pyramid-structured VO2-based thin films with large emissivity tunability for thermochromic radiators, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 109325 (2024).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2024.109325
研究背景
为保证航天器电子设备的正常工作和延长其使用寿命，将工作温度控制在一定范围内至关重要。然而，由于太阳辐射的动态变化和内部热负荷的波动，航天器热控系统必须能够对热环境做出瞬态响应。智能热控系统具有成本低、体积小、重量轻、能效高等优势，是当前航天器热控制的重要组成部分。智能辐射装置通过调节散热器的发射率来实现温度控制，当温度超过理想水平时，发射率会增加，以促进能量耗散，从而达到冷却的目的。反之，通过降低发射率来减少能量辐射，以维持系统温度。发射率随温度的宽频带和显著变化对实现散热器热调节的智能控制起着至关重要的作用，其特征是平均发射率的变化。
研究内容
结构工程已被证明可以成功提升基于VO2的薄膜的热致变色性能，以实现动态热负荷下的智能热管理。然而，传统的基于层间干涉的多层结构和基于共振效应的光栅结构表现出一定的波长选择性，从而阻碍了宽带吸收。该限制制约了高温积分发射率的提高，对实现更大的平均发射率可调性（Δε=εH-εL）提出了巨大的挑战。在本文中，作者提出了一种基于VO2的3D金字塔结构薄膜，将多层结构与光栅结构相结合，实现了前所未有的高发射率可调性Δε达到0.68。基于磁极化子共振效应，在高温下实现了在宽光谱范围内的高吸收，εH为0.954。通过分别优化VO2厚度δ至30nm，倾斜角β至80°，实现了薄膜的最佳热致变色性能。与传统的多层和光栅方案相比，本文提出的金字塔纹理结构具有更大的设计空间，可为航天器热控外表的设计和优化提供参考。
图1.基于VO2的金字塔结构示意图。
图2.光学常数（n和k）。(a)VO2在300K和373K时的光学常数（n和k）。(b)BaF2的光学常数（n和k）。
图3.光栅狭缝宽度对吸收率的影响。（a）一维光栅结构。（b）VO2/Si光栅的光谱吸收率。（c）VO2/BaF2光栅的光谱吸收率。
图4.373K和300K下的光谱吸收率。（a）金字塔结构薄膜。（b）BaF2/VO2/Si/Al多层结构薄膜（2μm/0.1μm/0.5μm/0.5μm）。
图6.373K下不同波长的电磁场分布。箭头方向为电流方向。
结论与展望
总之，本文提出了一种基于VO2的金字塔结构热致变色薄膜，并主要研究了其吸收机制以及VO2厚度和倾斜角度对发射率的影响。基于MP共振效应，结构在很宽的光谱范围内（2~25μm）实现了高吸收。结构的倾斜角度对发射率影响较大，倾斜角度越大，高温发射率越高。此外，VO2厚度影响结构的低温发射率，薄膜较薄，低温发射率较低。通过保持大倾斜角度并降低VO2厚度来进一步优化结构，在β=80°、δ=30nm时，实现了发射率可调性Δε高达0.68，εH达到0.954。本文所提出的薄膜结构提供了更大的设计空间，并具有进一步提高发射率可调性的潜力，为航天器热控外表的设计和优化提供了有价值的参考。
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热辐射与微纳光子学
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