中国科学技术大学邹崇文&赵斌&裴刚LPR：中红外发射率的选择性调控用于被动冷却与空气源供热

在全球气候变暖和化石能源减碳需求日益迫切的背景下，被动辐射冷却技术因其无需能耗、绿色环保的优势，受到广泛关注。通过调控材料在中红外波段的光谱发射特性，可以实现昼夜间对环境热交换的自适应管理。然而，现有多数材料仅具备单一的高或低发射率，难以适应日夜、季节等多变的环境热需求，因此发展具备动态可调光谱特性的智能热管理材料成为研究热点。为应对这一挑战，本文提出并构建了一种基于 VO2 相变调控的温度响应型选择性动态发射率结构（ selective dynamic emissivity device, SDED ）。该结构通过多层膜系设计，在高温下实现大气窗口高发射率，增强散热；在低温下实现大气窗口低发射率，减少散热，同时提高大气辐射区发射率，吸收环境热辐射实现保温。研究结合仿真与实验验证了其优越的热管理能力，展现出在建筑节能、红外隐身等领域的广阔应用前景。相关工作以 Selective regulation of mid-infrared emissivity for passive cooling and air source heating 为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊。

本文首先基于大气窗口与大气辐射波段的光谱选择性原理，建立了理想的辐射冷却与保温模型，阐明了温度响应型选择性发射结构的设计思路（图1）。随后，作者设计了一种基于VO2相变材料的多层膜结构SDED，优化了结构参数以实现高低温状态下的发射率调控（图2），并通过电场分布和功率损耗仿真进一步揭示了其工作机理（图3）。接着，作者完成了器件的制备，并利用SEM、AFM、拉曼光谱等手段对材料结构和VO2的相变性能进行了表征（图4）。在此基础上，测量了器件在不同温度下的光谱发射率与红外热成像表现，证实其具备显著的温度响应特性和可逆性（图5）。最后，作者通过热传输模型对其热调控性能进行了定量预测，展示了其在不同工作状态下的辐射散热能力与平衡温度变化趋势（图6）。

图1.理想的辐射冷却与保温的光谱及工作原理示意图。

图2. SDED结构及其光谱仿真结果。(A) SDED结构示意图。(B) Al2O3、Ge、SiO2、TiO2和VO2的折射率和消光系数。(C)低温状态下SDED的模拟光谱发射率。(D)高温状态下SDED的模拟光谱发射率。

图3. SDED的光学仿真。(A) SDED在低温下的电场分布。(B) SDED在高温下的电场分布。(C) SDED在低温状态下的功率损耗密度分布。(D) SDED在高温状态下的功率损耗密度分布。

图4. SDED的材料表征。(A) SDED的截面扫描电镜图像，插图为SDED实物图。(B) VO2薄膜的原子力显微镜（AFM）图像，表面粗糙度为22.9  nm。(C) VO2薄膜的温度-电阻变化曲线。(D) VO2薄膜在不同温度下的拉曼光谱。

图5. (A) SDED在80  °C和25  °C下的发射率光谱测量结果。(B) SDED在温度梯度变化过程中的光谱发射率。(C) SDED在大气窗口波段的平均发射率随温度变化的关系曲线。(D) SDED与普通玻璃在90 °C和40  °C下的红外热成像对比图。

图6.净辐射冷却功率与平衡温度的计算结果。(A)当相变温度高于环境温度时，铬材料与SDED在不同温度下的净辐射冷却功率。(B)不同热功率输入下SDED的平衡温度。(C)当相变温度接近环境温度时，铬材料与SDED在不同温度下的净辐射冷却功率。(D)不同热功率输入下SDED的平衡温度。Ta表示环境温度，Tc表示相变温度。

小结：为应对环境温度动态变化下对散热与保温的双重需求，本文设计并制备了一种温度响应型的选择性动态发射率结构，其基于VO2的金属-绝缘相变特性，通过精确构建Ge/VO2/Al2O3/TiO2/Ge多层膜系，实现了在不同温度下对中红外光谱发射行为的可逆调控。在高温（80  °C）时，器件在大气窗口（8–13  μm）波段表现出高达0.81的发射率，显著增强辐射散热能力；而在低温（25  °C）时，该波段发射率降至0.11，同时在大气辐射区（5–8  μm和13–20  μm）发射率升至0.6，有效抑制热量流失并吸收大气热辐射以实现保温。通过光学模拟与红外成像实验，验证了该器件在散热与保温之间的动态切换能力，具有显著的热调控效率和应用潜力。该工作为实现环境自适应的被动温控提供了新思路。

论文信息：Li X, Liu M, Wu R, Wang C, Zou C*, Zhao B*, Pei G*. Selective regulation of mid‐infrared emissivity for passive cooling and air source heating. Laser & Photonics Reviews, e00600.

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