加州大学洛杉矶分校Raman课题组Nano Lett.：发射方向可调的宽谱定向热发射

近年来，在任意光谱带宽范围内定向调节热辐射的空间分布是一项具有挑战性但至关重要的能力，它适用于热光伏、热成像和辐射冷却等一系列新兴应用。然而，以往的实验演示仅限于窄带范围，高发射率对应的波长会随着方向响应的变化而变化。因此，本文介绍了一种基于InAs的梯度近零介电常数（epsilon-near-zero,ENZ）材料的热调谐光子平台，该平台作为宽带方向性热发射器，其“热束”角度范围及其角度选择性可以在保持预定发射率带宽内的光谱响应的同时，通过热自由载流子效应逐渐重新配置。本文通过实验验证了两个发射器在固定宽波长范围（12.5到15 μm）内，在中等温度（低于450 K）下，p偏振方向性发射率角度范围分别增加了8°和14°。相关工作以Thermally Tunable Angular Selectivity of Broadband Directional Thermal Emission为题发表在Nano Letters期刊。

本文设计了一种基于InAs的梯度ENZ材料的热调谐光子平台，图1展示了该结构的配置和理论研究的可重构性；图2为掺杂InAs的温度依赖性Drude参数；图3为结构1和结构2两种宽带定向热发射器在温度T = 285 K、335 K、425 K的红外发射率光谱；图4为两种结构在不同温度下，波长从12.5到15 μm时的平均p极化发射率实验测量结果与模拟结果的比较；最后研究了不同温度下数值计算的色散关系和电场强度分布，如图5所示。

图1. 基于InAs的梯度ENZ结构的配置和理论研究的可重构性。(a) 实验制备的多层InAs薄膜结构的SEM图像；(b) 标签标识了所用材料及梯度ENZ层的总厚度；(c) 结构1（300 nm）和结构2（900 nm）在宽波长操作范围（从12.5到15 μm）内的方向响应，分别在75°和65°处观察到其峰值平均发射率；(d-f) 损耗因子依次为γ/2、γ、γ×2的梯度ENZ薄膜的发射率光谱。

图2. 掺杂InAs的温度依赖性Drude参数。(a) 不同温度下，利用Kane模型计算的自由载流子的有效质量以及掺杂InAs薄膜（n = 2.5×1018 cm−3）的实验测量Hall载流子浓度；(b) 利用公式1和(a)中的数值计算的等离子体频率，测量的霍尔迁移率显示了下降的趋势，表明随着温度的升高，散射过程增强；(c) 基于(a)和(b)中研究的温度依赖性Drude参数计算出的不同温度下的介电常数的实部和虚部。

图3. 两种宽带定向热发射器的红外发射率实验调谐。结构1（300 nm）在(a) 285 K、(b) 335 K和(c) 425 K下测量的p极化发射率光谱；结构的温度由小型热电Peltier模块调节；结构2（900 nm）在(d) 285 K、(e) 335 K和(f) 425 K下测量的发射率光谱。

图4. 实验测量结果与模拟结果的比较。结构1 (a)和结构2 (c)在不同温度下，操作波长范围（从12.5到15 μm）内的平均p极化发射率的测量结果；结构1 (b)和结构2 (d)在相同操作范围内的模拟平均发射率，模拟结果表明，定向热辐射的角度范围逐渐调整，并且与实验结果吻合。

图5. 不同温度下数值计算的色散关系和电场强度分布。掺杂InAs Berreman薄膜在不同温度下的色散关系中计算出的虚频率，热束流的角度范围的变窄和变宽是由于电磁波在介质中振荡时衰减程度的调制所致；结构1 (b)和结构2 (c)在工作波长范围中心波长（λ ≈ 13.5 μm）处峰值发射率角度照明的计算电场强度分布，随着温度的升高，由于共振光学模式逐渐转化为晶格振动模式，可以观察到梯度ENZ层中局部场的强度降低。

小结：本文提出并实验验证了一种可调和可重构的光子平台，利用基于InAs的梯度ENZ材料以实现发射率的定向调控，其中热束的角范围可以通过跨宽光谱发射率带宽的热自由载流子效应来调节。在温度低于450 K时，结构1方向发射率的角度范围在12.5到15 μm的宽操作波长范围内增加了8°。在同一温度范围和较小的角度范围内，结构2通过方向响应的热重构，增大了高发射率的角度范围，达到14°。结果显示，在较低温度（200 K）下，由于热自由载流子效应，热发射器的方向响应变得更加尖锐，并且在预定带宽内对角度的选择性更强，结构1和2的高发射率角范围与425 K时的光谱相比分别可进一步减少11°和18°。在任意宽谱范围内，强定向热发射对特定角度范围的可重构性，可能为现有技术带来显著的效率提升。III-V半导体基的热可重构发射率平台展现出了其在红外领域激发新型集成光子器件概念的潜力。

论文信息: Hwang, J. S., Xu, J., & Raman, A. P. (2025). Thermally Tunable Angular Selectivity of Broadband Directional Thermal Emission. Nano Letters.

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