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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院汪洋研究員、李家方教授團(tuán)隊(duì)在動(dòng)態(tài)熱輻射超表面研究方面取得重要進(jìn)展，該工作基于納米剪紙結(jié)構(gòu)通過多物理場(chǎng)調(diào)控的方式實(shí)現(xiàn)了紅外熱輻射的強(qiáng)度和峰值波長(zhǎng)的原位調(diào)控，并探索了它在動(dòng)態(tài)熱管理、能源轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Thermal Emission Manipulation Enabled by Nano-Kirigami Structures”為題發(fā)表在Small期刊[Small, 2305171 (2023)]上。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和北京市自然科學(xué)基金的資助。

熱輻射是一種普遍存在的基本物理現(xiàn)象，并在照明、溫度管理、能源利用、熱成像等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用從而引起廣泛的研究興趣。根據(jù)基爾霍夫定律，任何物體的熱發(fā)射率由其光吸收率決定。這一發(fā)射率和吸收率的等價(jià)關(guān)系表明，熱輻射的時(shí)間、空間、光譜特性可以通過材料的選擇和微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控。隨著納米技術(shù)在近二十年的快速發(fā)展，科學(xué)家們利用超表面材料在熱輻射的光譜分布、方向性、偏振等靜態(tài)特性的設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。但是，在熱輻射的隨時(shí)間響應(yīng)的動(dòng)態(tài)操控方面的手段還十分有限，多數(shù)的動(dòng)態(tài)操控方法在輻射強(qiáng)度和光譜分布方面的調(diào)控范圍和調(diào)控維度較小，同時(shí)受到器件本身材料或結(jié)構(gòu)的限制而操控方式局限于特定的一種方式，亟需發(fā)展一種調(diào)制能力強(qiáng)、調(diào)制維度多、調(diào)制方式多的新型熱輻射操控手段。

在眾多的超表面材料中，納米剪紙超表面因其獨(dú)特而多樣的驅(qū)動(dòng)方式以及可重構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[Nat. Commun. 12, 1299 (2021); Adv. Opt. Mater. 11, 2202150 (2023)]，而成為動(dòng)態(tài)熱輻射調(diào)控的理想平臺(tái)。基于聚焦離子束的納米剪紙技術(shù)經(jīng)過近十年的發(fā)展已經(jīng)成為一種新型的三維微納加工方式[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018); Light Sci. Appl. 9, 75 (2020); Nanophotonics 12,1459 (2023)]。這種技術(shù)可以制造精細(xì)的二維平面圖形，并使平坦的薄膜結(jié)構(gòu)形變?yōu)榱Ⅲw扭曲的三維結(jié)構(gòu)，從而突破傳統(tǒng)自上而下、自下而上、自組裝等微納加工技術(shù)在結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)調(diào)諧等方面的局限性，為設(shè)計(jì)新穎的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)提供了一種新手段。不過，在面向熱輻射調(diào)控應(yīng)用時(shí)，納米剪紙超表面在選擇性輻射特性設(shè)計(jì)、大單元尺寸結(jié)構(gòu)制造等方面仍存在諸多待探索的科學(xué)和技術(shù)問題。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)探究了螺旋線型、風(fēng)車線型等剪紙結(jié)構(gòu)在靜電力場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)等的作用下的三維力學(xué)形變特征，并觀察其在中紅外波段的動(dòng)態(tài)光譜響應(yīng)特性。如圖1所示，納米剪紙陣列構(gòu)建在金屬/氧化硅/硅襯底上。研究人員在金屬膜上像剪紙一樣刻蝕精心設(shè)計(jì)的曲線，然后對(duì)底部氧化硅進(jìn)行選擇性濕法蝕刻，從而獲得懸空的二維剪紙結(jié)構(gòu)。制備的二維平面結(jié)構(gòu)可以在兩個(gè)方向上“折疊”，即向上和向下。向下的形變模式可以由靜電力引起，向上的變形可以通過離子束的全局輻照來實(shí)現(xiàn)，并可以后續(xù)通過向下施加壓應(yīng)力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)回復(fù)調(diào)制。超表面的熱發(fā)射率調(diào)制主要通過金屬狹縫的動(dòng)態(tài)等離激元共振模式進(jìn)行，通過外界物理場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)剪紙結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈的變形和扭曲，而這些形變引起的線狀狹縫的尺寸變化，能夠在中紅外波段產(chǎn)生顯著的等離激元光學(xué)調(diào)制效果。

圖1. 納米剪紙熱輻射超表面器件設(shè)計(jì)

納米剪紙結(jié)構(gòu)的三維變形不僅能夠引起紅外共振吸收/發(fā)射強(qiáng)度的變化，還能夠引起共振吸收和發(fā)射波長(zhǎng)的變化。這些趨勢(shì)與剪紙構(gòu)造的形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)模式密切相關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)分別通過兩種途徑在實(shí)驗(yàn)上證明了這一強(qiáng)大的熱輻射調(diào)控能力。圖2展示了一種螺旋線形熱輻射剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)適用于電調(diào)制并能夠調(diào)制發(fā)射強(qiáng)度，通過對(duì)周期、線長(zhǎng)、線寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)中紅外波段任意波長(zhǎng)的窄帶熱發(fā)射。在金層和底部硅層之間施加電壓后，螺旋結(jié)構(gòu)將在靜電力的作用下向下變形，導(dǎo)致熱發(fā)射率和輻射強(qiáng)度的變化。隨著電壓的增加，螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)射率峰值隨著波長(zhǎng)的輕微藍(lán)移而降低，直到達(dá)到最大電壓，這時(shí)納米結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和靜電力作用達(dá)到最大平衡狀態(tài)。

納米剪紙熱輻射器件還可以動(dòng)態(tài)控制熱輻射的波長(zhǎng)范圍和可見光的透射/吸收，從而實(shí)現(xiàn)高效的熱管理。為了證明這種能力，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種聚合物嵌合的具有風(fēng)車形狀的納米剪紙熱管理器件（圖3）。風(fēng)車結(jié)構(gòu)可以在應(yīng)力引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)大的扭轉(zhuǎn)變形。一方面，在可見波段，它可以像窗口一樣動(dòng)態(tài)反射或接收太陽能。隨著變形高度的增加，納米窗口打開，窗口面積繼續(xù)增加，導(dǎo)致可見光透射和吸收增加。通過在底部設(shè)計(jì)摻雜的硅或其他吸收材料，該裝置可以有效地控制太陽能的吸收。另一方面，在紅外波段，風(fēng)車結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)熱輻射的峰值波長(zhǎng)。圖3中顯示了具有不同變形高度的風(fēng)車結(jié)構(gòu)的熱發(fā)射光譜。當(dāng)二維狀態(tài)下可以使納米結(jié)構(gòu)的發(fā)射峰位于大氣窗口的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而三維狀態(tài)下使發(fā)射波長(zhǎng)在大氣窗口之外，這種動(dòng)態(tài)的調(diào)控是通過將剪紙結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌進(jìn)彈性聚合物中實(shí)現(xiàn)的。

圖2. 螺旋線形動(dòng)態(tài)熱輻射超表面器件的實(shí)現(xiàn)

圖3. 風(fēng)車線形動(dòng)態(tài)熱管理器件的實(shí)現(xiàn)

基于納米剪紙超表面的動(dòng)態(tài)熱輻射調(diào)控系統(tǒng)具有多物理場(chǎng)調(diào)控、多維度光學(xué)性質(zhì)調(diào)節(jié)和多種材料兼容的優(yōu)點(diǎn)。本工作證明了可以通過靜電力或機(jī)械應(yīng)力對(duì)納米剪紙結(jié)構(gòu)的紅外響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，該結(jié)構(gòu)同時(shí)也適用于熱致應(yīng)力、氣動(dòng)力、磁致應(yīng)力等多種調(diào)控方式。另一方面，納米剪紙熱輻射調(diào)控系統(tǒng)在波長(zhǎng)、強(qiáng)度和其他光學(xué)特性方面提供了多維度的調(diào)節(jié)能力。在本工作中已經(jīng)證明器件既可以獨(dú)立調(diào)節(jié)輻射強(qiáng)度，也可以在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輻射峰值波長(zhǎng)。由于特殊的線性設(shè)計(jì)帶來的三維扭轉(zhuǎn)變換，納米剪紙結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)熱輻射的相位、手性、方向方面也極具潛力。此外，該納米剪紙微機(jī)械系統(tǒng)并不局限于單一材料，金、銀、鋁、半導(dǎo)體、相變材料等均可。基于此，我們可以根據(jù)輻射冷卻、太陽能利用、熱偽裝等多種應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境的需要，選擇合適的材料、結(jié)構(gòu)和調(diào)控方式進(jìn)行器件設(shè)計(jì)。綜上，基于納米剪紙結(jié)構(gòu)的超表面熱輻射調(diào)控器件具有靈活的光譜調(diào)節(jié)能力和獨(dú)特多樣的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法，是可重構(gòu)熱輻射的理想操控平臺(tái)，有望在能源轉(zhuǎn)換、熱偽裝等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生趙英浩和梁清華為論文的共同第一作者，北京理工大學(xué)汪洋研究員、李家方教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202305171