Opt. Express：超构阵列宽带定向热辐射调控

论文信息：

SHUNYAO LI, ERWEI GUI, BOXIANG WANG, HAIYANG HUANG, YANG JIAO, ZENGFENG DI AND WEI LI, Broadband directional control of thermal radiation by metalens arrays, Optics Express, 33, 31646 (2025).

研究背景

热辐射作为自然界中普遍存在的能量传递形式，其典型特征为宽带、全向、非偏振和非相干性。这种特性在热管理、辐射冷却、热能转换等关键应用中带来了显著挑战—全向辐射会导致热能向非目标方向流失，降低器件效率；宽带特性则使得传统窄带调控手段难以适配。因此，实现热辐射的宽带定向调控成为学术界和工业界的重要研究目标。但目前调控技术存在显著局限，首先是窄宽带问题，基于表面声子极化激元（SiC光栅）或表面等离子体激元（钨基光栅）的结构仅能在窄波长范围（如单一谐振波长）实现定向辐射，且发射角随波长漂移；其次是大发散角限制，基于近零介电常数（ENZ）材料的设计虽扩展了带宽，但发散角高达20°，且仅支持p偏振；最后是热光子逃逸难题，硅基芯片（折射率≈3.4）因全内反射（TIR）效应阻碍热光子逸出，制约高功率电子器件的散热效率。本文提出一种金属透镜阵列（metalens array）解决方案，通过微纳结构实现6–15 μm宽波段的热辐射定向调控，发散角<30°，并突破硅基TIR限制，为2.5D/3D封装芯片提供新型热管理通道。

研究内容

本文研究首先进行了金属透镜阵列的结构设计，为实现热辐射的宽带定向调控，设计了一种由周期性排列的超透镜组成的微纳结构阵列，其核心是截锥型超原子单元。其单元结构选择通过有限差分时域（FDTD）模拟对比了圆柱、圆锥、截锥等多种单元几何结构（图1(a)所示），发现截锥结构因倾斜侧壁可使光子在逃逸前发生多次反射，有效缓解全内反射影响，透光率最优；图1(b)所示为截锥结构的光子透光率是未图案化硅表面的2-5倍，验证了其优势。然后进行了超原子库构建，将截锥的顶部半径r1和底部半径r2作为变量（0.5-3 μm），固定高度h和周期P为6 μm，通过参数扫描建立超原子库。图1(c)和(d)分别展示了单元库的透光率和相位谱，其中相位覆盖完整的2Π范围，为超透镜的相位调控奠定基础。同时进行了焦深与相位设计，为同时实现短焦距和大焦深（适配25-500 μm深度的热源），提出空间复用超透镜环设计：将超透镜分为多个独立同心环，每个环具有不同焦距，随环半径增大焦距逐渐减小（图1(e)所示）。通过粒子群优化算法使多个焦点合并为连续的扩展焦深（EDOF）区域，满足衍射极限和瑞利准则。

图1. 金属透镜设计过程示意图；(a) 金属透镜结构及截锥状单元胞；(b) 对于硅芯片内部的点光源，具有截锥结构的表面相较于光滑表面的透射增强效果；(c) 在9μm波长下，以顶部半径r1和底部半径r2为变量的单元胞透射光谱；(d) 单元胞结构的相位覆盖范围；(e) 金属透镜的相位构建原理示意图。

其次本文研究进行了金属透镜阵列的性能表征，包括聚焦与定向辐射性能、热辐射传输效率提升。其中聚焦与定向辐射性能的宽带聚焦性能通过FDTD模拟显示，金属透镜在6-15 μm波长范围内均能实现有效聚焦（图2(a)所示）；以9 μm波长为例，图2(b)（X-Z平面电场分布）显示最小焦距为25 μm，焦深（半高全宽）约450 μm（为工作波长的50倍）；图2(c)（焦平面X-Y电场分布）显示焦斑半高全宽约9 μm，仅为超透镜孔径的8.8%，表明其对热辐射的强调控能力。其中聚焦与定向辐射性能的远场方向性通过模拟表明，如图3所示，在6-15 μm波长范围内，金属透镜可将光子导向近零极角（θ≈0°），虽因材料色散在10 μm、12 μm、13 μm处出现光束发散，但发散角均控制在30°以内，满足定向辐射需求。其中聚焦与定向辐射性能的偏振无关性与透光增强，通过对比偏振电偶极子源（位置分别为(0,0) μm、(0,30) μm、(30,0) μm）在有无金属透镜阵列时的场分布，如图5所示，发现无阵列时光子因硅的高折射率（≈3.4）导致全内反射难以逃逸；有阵列时光子可定向逃逸，且性能不受偏振影响，验证了偏振无关性。

图2. 时域有限差分（FDTD）模拟结果；(a) 在6-15 μm的工作波长下，金属透镜对垂直入射平面波的聚焦性能示意图；(b) 工作波长为9 μm时，焦点处沿Z轴的电场强度分布；(c) 工作波长为9 μm时，焦平面内沿X轴的电场强度分布。

图3. 模拟远场电场分布

图4. 不同位置的偶极子源在有无金属透镜情况下的光子逃逸对比；偶极子源分别放置在三个不同位置：（x，y）=（0,0）μm、（30,0）μm和（0,30）μm；侧视图对比展示了有无金属透镜时的光子逃逸行为。

其中热辐射传输效率中的角度相关透光率通过蒙特卡洛模拟，如图5所示，未图案化硅表面仅在0-17°范围内透光率较高，超过该范围因全内反射骤降；而金属透镜阵列在宽角度范围内（>17°）仍保持高透光率，匹配热辐射的朗伯分布（高光子密度区域）。其中热辐射传输效率中的温度依赖性验证如图6所示，在343-393 K（芯片工作典型温度）范围内，金属透镜阵列的辐射传输能量显著高于光滑硅表面，且随温度升高差距扩大；在343 K时，传输效率提升达71.8%，证明其高效散热能力。

图5. 蒙特卡洛模拟结果；(a) 不同角度下的光谱透射率图；(b) 半球发射模型下的透射光子比例。

图6. 4–20 µm波长在总热辐射能量中所占比例随温度的变化，以及不同表面的辐射传输能量对比。

本文研究最后进行了应用场景验证，本文提出将金属透镜阵列集成到2.5D/3D封装芯片中的定向辐射散热方案，如图7所示。在2.5D封装结构中，金属透镜阵列直接置于芯片表面，与导热界面材料（TIM）或空气接触，通过定向辐射将芯片内部（25-500 μm深度）的热光子高效导出，为芯片提供额外冷却通道，缓解传统散热（如热沉、均热板）的压力。

图7. 金属透镜阵列辅助芯粒辐射冷却的示意图

结论与展望

综上所述，本文研究创新性地设计了一种基于截锥结构的金属透镜阵列，实现了热辐射的宽带定向调控。其结构创新采用截锥型超原子单元，通过倾斜侧壁的多次反射缓解全内反射，结合空间复用环设计，在6-15 μm波长范围内实现25-500 μm深度热源的定向辐射；其性能相比传统结构，该阵列的热辐射传输效率提升71.8%，发散角控制在30°以内，且偏振无关，解决了现有技术的窄带、低方向性、偏振限制等问题；且其具有应用价值，集成到2.5D/3D封装芯片后，为芯片热管理提供了新途径，尤其适用于高密度集成芯片的散热需求，弥补了传统导热方式的不足。该研究为微纳尺度热辐射调控提供了新思路，有望在微电子器件热管理、辐射制冷、能源转换等领域产生深远影响。