基于VO₂超表面的辐射制冷窗

论文信息：

Zhaoyang Wang,Jiran Liang,Cancheng Jiang,Dangyuan Lei,Usama Afzal,Chengye Zhang,Yunfei Bai and Dequan Zhang, Innovative VO2 Metasurface Designs for Adaptive Radiation Cooling Smart Windows, Surfaces and Interfaces, 71, 106868 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.106868

研究背景

全球建筑能耗占总能耗的30%-40%，其中暖通空调（HVAC）占比高达50%。其中传统辐射制冷材料存在静态光学特性，其固定反射率导致温带地区48%的能源因过冷效应浪费，与碳中和目标冲突。亟需开发气候自适应热管理技术，实现动态调节太阳能吸收与红外辐射的平衡。材料二氧化钒（VO₂）在68 °C附近发生可逆金属-绝缘体相变（MIT），伴随光学/电学特性剧变，这种相变使其光学和电学性质可大幅调控，在光探测器、智能窗、辐射冷却器等领域展现出广阔应用前景。

研究内容

本文提出了一种多层结构的多光谱调制超表面，由顶部的金属超薄VO2纳米片阵列、中间的CaF2介电层和底部的Low-E玻璃组成，如图1所示。该结构的核心谐振单元为周期性垂直纳米片，其结构参数（长度 b、宽度 w、高度 a 和周期 L）对热发射波长至关重要，间隙（L-b）是热发射率开关的关键，由VO2纳米片结构控制。其中VO2纳米片采用先进的纳米加工技术（如电子束光刻结合反应离子刻蚀）制备，CaF2作为介电层，Low-E玻璃作为基底，确保结构的光学性能和机械稳定性。

图1. 所设计的多光谱区域调制超表面的三维示意图，其中L固定为2 μm，h固定为0.38 μm，a设置为1.6 μm，b设置为1.8 μm，w 设置为0.03 μm。平行光沿-Z轴垂直入射到样品表面

本文还利用有限差分时域（FDTD）方法模拟了自适应辐射冷却智能窗的光学响应，构建了包含垂直排列VO2纳米片、CaF2间隔层和Low-E玻璃基底的代表性周期性单元，施加X和Y轴的周期性边界条件，沿Z轴传播的平面波激发，以模拟无限周期性并表征目标波长范围内的宽带光谱响应。

本文还对该超表面进行了调控机制分析，超表面的调制由吸收共振和非共振模式决定，受等效电感电容（LC）共振和表面等离激元（SPPs）影响。外部温度通过诱导VO2在热发射区域的相变来调节共振吸收，如图2(a)和(b)所示。同时通过电场分布验证共振机制，在9 μm波长处对绝缘体和金属态的电场（E场）分布分析表明，E场热点集中在间隙处，类似偶极共振，证实了LC共振模式的激活；同时，在二氧化钒（金属态）和中间介电层之间观察到SPPs效应，如图2(c)所示，电场强度沿X轴逐渐减小，表明结构内成功激发了SPPs。

图2.超表面共振模式分析(a) 超表面中表面等离激元与LC共振的示意图；(b)等效 RLC电路

本文对该超表面进行了性能表征。该超表面的多光谱性能表现为，通过LC共振和SPPs的协同作用，超表面实现了0.85的宽热发射率调制，金属态下接近完美的宽带发射率（0.97），同时具有68.8%的高光透射率和低太阳能吸收（0.28），太阳能吸收调制为-3.3%。

图3. 对应不同中间层材料的吸收光谱响应，红线表示90 °C时的光谱，黑线表示30 °C时的光谱

本文还对该超表面进行了结构参数优化。首先是纳米片宽度（Y-span）的优化，随着Y-span增加，宽光谱的发射率调制（90 ℃与30 ℃时的发射率之差）先增加后减少。当Y-span为0.03 μm时，吸收强度达到最佳0.92，此时太阳能吸收和热发射率调制性能最优。其次是中间层厚度的优化，中间层厚度与共振波长密切相关，如图4所示，厚度从0.1 μm增加到0.42 μm时，共振波长显著红移，吸收强度增强，在0.38 μm厚度时，整个热发射区域的最大吸收强度达到0.98，此时太阳能吸收保持在0.26左右。

图4. 模拟吸收光谱对不同介电层（间隔层）厚度的依赖性，其中(a)为太阳光谱波段，(b)为90℃时的热发射波段

最后本文在九种不同气候区的城市进行年度节能性能评估，与传统Low-E玻璃窗户相比，自适应辐射冷却智能窗在各种气候区均表现出显著的节能效果。其中阿尔伯克基的节能效果最高，如图5所示，达到97.95 MJ/m2，其他城市的节能效果也超过56.49 MJ/m2。

图 5. 全球九个城市的年度节能评估计

结论与展望

综上所述，本文研究成功设计并制备了一种基于垂直排列VO₂纳米片的超表面结构，实现了太阳能（0.38-2.5 μm）和热辐射（2.5-14 μm）区域的多光谱调制，突破了传统辐射冷却器的性能限制。该创新性结构实现了0.85的热发射率调制（从0.12到0.97），68.8%的高光透射率，低太阳能吸收（0.28）和-3.3%的太阳能吸收调制，与现有辐射冷却器相比，性能具有显著优势，同时能量消耗模拟表明，该超表面解决方案比市售Low-E玻璃更节能，效率提升超过56.49%，为开发理想的辐射冷却智能窗设备提供了新的理论支持和技术方向。未来随着技术的不断进步和完善，有望为实现碳中和目标和可持续发展做出重要贡献。