北科大王存海/刘敬崇&哈工大易红亮教授ACS Photonics：基于局域表面等离激元和磁极化的宽波段双定向热辐射

论文信息： CH Wang, T Chen, H Chen, JC Liu, HL Yi. Broadband Bidirectional Thermal Emission Supported by Localized Surface Plasmons and Magnetic Polaritons. ACS Photonics, 2025.

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c00206

宏观物体的热辐射通常被认为是非相干的，具有宽波段、非偏振和准各向同性等特征。这极大限制了高性能的热天线、隐身和能量收集的发展，因此宽波段定向（BBD）热辐射的研究得到了广泛关注。然而，以往的BBD热辐射器结构复杂，波段有限或缺乏对方位角依赖性的考虑。为解决这些问题，北京科技大学王存海副教授及其合作者设计了一种金属-介质层-介质层-金属（MIIM）热辐射器，通过介电层的本征吸收以及局域表面等离子体激元（LSPs）和磁极化激元（MPs）的叠加与耦合，在两个有限的立体角内实现了8 - 14 μm大气窗口的宽波段双定向辐射。该研究为协同控制天顶角（θ）和方位角（φ）的宽波段热辐射提供了一种新途径。相关工作以Broadband Bidirectional Thermal Emission Supported by Localized Surface Plasmons and Magnetic Polaritons为题发表在ACS Photonics期刊()。

2.1 典型物体的热辐射

宏观物体发射的电磁波通常是非相干的，即半球空间内的准各向同性辐射（图1a），这无法满足高能量效率的功能器件的设计需求。因此，具有方向选择性的热辐射器一直是热调控的重要研究内容。然而，先前的定向热辐射器要么具有较大的角度色散（发射角随波长变化，图1b左），要么只考虑天顶角而缺乏对方位角方向的调控（图1b右）。本研究提出了一种宽波段双定向热辐射结构，其热辐射主要局限于有限的立体角内（图1c）。

图1. 不同结构的光谱和空间热辐射特性

2.2 宽波段双定向热辐射器的设计思路

该研究首先提出了一种Al光栅/SiO薄膜/Si基底的金属-介质层（MI）结构（图2a）。SiO较大的介电常数虚部表明其在9 - 11 μm波段内的强吸收/发射。由Al光栅形成的深金属狭缝可支持沿其布鲁斯特角的选择性透射，且Al光栅激发的LSPs可以进一步增强吸收/发射。由图2b和2c可知，MI结构在75° - 87°的近掠射方向上表现窄带定向热辐射特性。

为拓宽定向发射的波段，该研究用Al基底替代MI结构中的Si基底（图2d）。这可以反射来自SiO层的入射电磁波，诱导MPs的激发。而LSPs、MPs和布鲁斯特模式的叠加和耦合效应使得MIM结构的定向发射波段拓宽至8 - 13 μm（图2e- 2f）。

为了保护SiO在空气中不被氧化，该研究还引入Al2O3介质层，得到Al光栅/Al2O3薄膜/SiO薄膜/Al基底组成的MIIM结构（图2g）。相较于MIM结构，MIIM结构在整个8 - 14 μm的大气窗口波段和63° - 88°更宽的天顶角范围内均能保持良好的宽波段定向发射特性（图2h - 2i）。

图2. MI，MIM和MIIM结构的光谱特性

2.3 机理分析

该MIIM结构在大天顶角θ = 85°/75°和小天顶角θ = 5°/15°的发射率如图3a所示。在8 - 14 μm波段内，MIIM结构大天顶角发射率始终远大于小天顶角，符合预期的BBD特性。该研究还揭示了LSPs，MPs和布鲁斯特模式的协同作用对宽波段方向选择性发射的影响。图3b比较了λ = 12.5 μm入射光下MIIM结构在θ = 85°和5°处的电场。当外部辐射从θ = 85°入射时，Al光栅的顶点处可观察到LSPs产生的强局部电场，这增强了MIIM结构的吸收。而当θ = 5°时，光栅顶点未出现局部电场，因此表现出较低的吸收。图3c则展示了两者的磁场情况。由于MPs的激发，θ = 85°时的磁场强度远大于θ = 5°时的磁场强度。总而言之，LSPs和MPs的激发使得MIIM结构内的电磁场在不同天顶角下产生较大差异，从而实现定向热辐射。

图3. MIIM结构的发射率和高发射波长处的电磁场

2.4 方位角和天顶角的定向辐射

该研究还分析了金属光栅和介质层对MIIM结构发射率的影响（图4a - 4b）。在8 - 14 μm的宽波段内，MIIM结构（图4b. i）在θ = 85°的发射率大于0.8，而在θ = 5°的发射率小于0.4，显示出良好的BBD发射特性；由Al2O3/SiO/Al基底组成的多层膜结构（图4b. ii）仅在λ = 8.4 μm处表现出显著的发射率差异，缺乏宽带性；而由Al光栅/Al基底组成的纯铝结构（图4b. iii）在θ = 5°处的发射率未能很好地约束，缺乏BBD发射特性。

MIIM结构的发射率随天顶角θ和方位角φ变化情况如图4c - 4d所示。MIIM结构在(θ, φ) = (85°, 0°)和(θ, φ) = (85°, 180°)这两个对称立体角处表现出良好BBD发射特性，而且不同波长下MIIM结构的(θ, φ)发射率高度一致，表明其存在受约束的角度色散。

图4. 不同结构的发射率和MIIM结构在方位角与天顶角上的定向辐射

小结：综上所述，基于SiO和Al2O3介质层的本征吸收，以及Al光栅金属引起的LSPs、MPs和布鲁斯特效应的协同作用，本文提出了一种由Al光栅/Al2O3薄膜/SiO薄膜/Al基底组成的宽波段双定向热辐射器。结果表明，该结构在8 - 14 μm的宽波段内对天顶角和方位角表现出良好的方向选择性，可将其辐射约束在(θ, φ) = (85°, 0°)和(θ, φ) = (85°, 180°)这两个对称立体角处，且发射率均大于0.8。通过不同电磁模式的叠加与耦合，该工作为实现宽带定向热辐射提供了一条新途径，并在高性能隐身和热天线等领域中表现出广阔的应用前景。

论文信息：CH Wang, T Chen, H Chen, JC Liu, HL Yi. Broadband Bidirectional Thermal Emission Supported by Localized Surface Plasmons and Magnetic Polaritons. ACS Photonics, 2025.

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.5c00206

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