Teplotní nezávislé tepelné záření

• tepelné záření
• tepelné emise
• fáze přechodu
• kvantové materiály
• přenos tepla

celkové množství energie tepelně vyzářená povrchem ve volném prostoru lze získat integrací spektrální radiance—vzhledem k tomu, podle Planckova zákona a zářivostí—přes všechny vlnové délky a polokulovitý úhlů (1, 2)., Za předpokladu zanedbatelné úhlovou závislost emisivity a balení úhlového integrálu do černého distribuce, IBB(λ,T), tento vztah může být vyjádřen asA∫λdλ ε(λ,T)IBB(λ,T)=Aetot(T)σT4,kde A je plocha povrchu, ε(λ,T) je spektrální emisivita, λ je ve volném prostoru vlnové délky, T je teplota, σ je Stefan–Boltzmannova konstanta., Celková emisivita, etot(T), může mít postupné teplotní závislost, i když spektrální emisivita nemá takovou závislost vzhledem k integraci ε(λ)IBB(λ,T) (3); nicméně, tato závislost je obvykle zakrslé T4 termín, a tak etot lze často považovat za přibližně konstantní. Stefan-Boltzmannův zákon tedy poskytuje mapování mezi teplotou objektu a vyzařovanou silou, což vede k konvenční moudrosti, že teplejší objekty emitují více světla (obr. 1 A A C) a umožňující aplikace, jako je infračervené zobrazování a termometrie bezkontaktní (4, 5).,

Tento předpoklad téměř konstantní emisivita musí být přezkoumána pro tepelné zářiče obsahující materiály, jejichž optické vlastnosti lze široce laditelné s teplotou (tj. thermochromics). Například emisivita, která se zvyšuje s teplotou může mít za následek vyzářený výkon roste rychleji než T4 (6, 7), a zářivostí, která rychle klesá s teplotou, může přemoci a reverzní sklon typické Stefan–Boltzmannovy křivky (8, 9).,

Tady, jsme se ukázat, že je možné dosáhnout kompletní rozpis konvenční one-to-one mapování mezi teplotou a tepelně emitovaného výkonu, P. tepelně emisní povlak s touto jedinečnou vlastnost může sloužit jako chladič, že výstupy fixní množství tepla bez ohledu na jeho teplotu a může zakrýt rozdíly v teplotě přes objekt z infračervené kamery. Tento stav lze zapsat jako ∂P / ∂T=0 a nastane, když etot=yT-4, Kde γ je konstanta s jednotkami Kelvinu (4)., Povrch s etot, který se hodí do této formy v určitém teplotním rozsahu, je od nynějška označován jako tepelný emitor s nulovým diferenciálem (ZDTE). Dosažení ZDTE chování pomocí reálných materiálů je velmi náročné: potřebná rychlost změny emisivity na teplotě je mnohem větší, než to, co může být dosaženo za použití konvenčních materiálů (např. s kapelou polovodiče jako křemík, přes teplotně závislé populace elektronů ve vedení kapely; Obr. 1B), ale je menší než u materiálů s náhlými fázovými přechody(např. 8 a 10)., Kromě toho, tento stav je možný pouze pro hystereze-free teplotní závislost emisivity, jinak ZDTE podmínka může být splněna buď během ohřevu nebo chlazení, ale ne obojí (dále diskutovány v SI Dodatek, část 1).,

Zde jsme prokázat, ZDTE v 8 – 14 µm atmosférický transparentnost okno (11) pomocí samarium nikl oxid (SmNiO3), korelační perovskite, že nabízí silný, ale relativně postupný vývoj jeho optické vlastnosti nad teplotou v rozmezí ∼40 ∼140 °C, což z plně reverzibilní a hystereze-zdarma tepelně řízený izolant-kov přechodu (IMT) (12⇓⇓⇓-16). Tepelný IMT v SmNiO3 je způsoben neúměrností náboje v místě Ni a zahrnuje jemné změny v úhlu vazby Ni-o-Ni (12, 16)., V našich smnio3 filmech (metodách) je tento tepelně řízený přechod reverzibilní v průběhu mnoha cyklů a v podstatě nemá hysterezi v obou elektrických (obr. 2A) a optická měření (obr. 2B), v ostrém kontrastu s mnoha jinými materiály se silnými IMTs . Hystereze-zdarma IMTs lze nalézt v vzácných zemin nickelates s vysokou fáze-přechod teplot, kde zanedbatelný nebo úplná absence hystereze může být vzhledem k oddělení IMT s antiferromagnetic objednávání a rychlejší fázi-kinetika transformace při vyšších teplotách (18, 19)., Jedinečný charakter tohoto IMT je také pozorovat přímo v našem prostorově vyřešen X-ray absorpční spektroskopie (XAS), mapy celé tepelné přechodu , které prokazují, hladké kolísání s teplotou (tj. absence jakékoliv kovové/izolační domény textury při jakékoliv teplotě) až do ∼20-nm délka měřítku, včetně teploty hluboko v IMT; viz Metody a SI Dodatek, paragraf 5 pro podrobnosti. Nebyly pozorovány žádné jiné prostorové rysy než hluk detektoru., Trend v těchto prostorové mapy (včetně dalších údajů SI v Dodatku, § 5) vyplývá, hladké cross-over z izolační limit na kovové jeden, který je doprovázen homogenní fázi krajiny. Dodatek SI obsahuje experimentální data ukazující stabilitu v mnoha cyklech (Dodatek SI, oddíl 2) a rentgenová difrakční měření, která dále pomáhají vysvětlit chování přechodu (Dodatek SI, oddíl 3).

povolit design tepelné zářiče pomocí SmNiO3, jsme provedli teplotně závislé proměnné-úhlu spektroskopické elipsometrie v průběhu 2 až 16 µm vlnové délce, přes celé spektrum fázového přechodu (Obr. 2 C A D)., Výsledný komplex refractive-index údaje jsou v souladu s filmu stává postupně více kovové z pokojové teplotě ∼140 °C. bereme na vědomí, že při postupné přechody jsou obecně považovány za méně užitečné než náhlé přechody pro elektronické a optické přepínání technologií, zde postupný a hystereze-zdarma povahu IMT v SmNiO3 je nezbytné pro realizaci ZDTEs.

abychom minimalizovali složitost a náklady výroby a realizovali tak robustní a velkoplošné Zdte, prozkoumali jsme návrhy založené na neroztavených tenkých filmech SmNiO3., Optické vlastnosti závislé na teplotě jsme použili na obr. 2 C A D a dobře zavedené optické tenkovrstvé výpočty (20)pro nalezení potřebné kombinace tloušťky filmu SmNiO3 a substrátu, který podporuje syntézu SmNiO3 (obr. 3a a Si Dodatek, oddíl 4) pro dosažení ZDTE přes 8-až 14-µm atmosférické průhlednosti okna. Na Obr. 3A, jsme vyneseny vypočtené teploty derivát emitován integrovaná zář několik tloušťky SmNiO3 na sapphire, což znamená, že ZDTE může být dosaženo za SmNiO3 tloušťce ∼150 nm nebo větší., Výsledek není moc nezmění SmNiO3 filmů silnější než ∼250 nm, což naznačuje, že optické vlastnosti substrátu nemají vliv na vyzařování, což SmNiO3 univerzální povrchová úprava, která může být využita pro škálovatelné technologie.

naše vymyslel planární zařízení se skládá z ∼220 nm SmNiO3 filmu pěstované na C-rovině safírový substrát (obr. 3 A, vložka; viz metody pro podrobnosti), ze kterých jsme měřili emisivitu a výslednou tepelně emitovanou spektrální záři. Protože výsledná struktura je neprůhledná v naší vlnové délce oblast zájmu a plochou na stupnici vlnové délky, kirchhoffovy zákony lze použít pro výpočet normální-směr vyzařování eN(λ,T) normální-výskyt reflektance: eN(λ,T)=1−RN(λ,T) (viz Metody pro podrobnosti)., Máme potvrzeno, že tento výsledek měření tepelné emise přímo, normalizaci laboratorního černého tělesa se skládá z vertikálně orientované 0.1-mm-vysoký uhlíkových nanotrubic lesa (Metody). Byla věnována pozornost izolaci tepelné emise vzorku z tepelného pozadí vyzařovaného různými složkami našeho přístroje (22) (Dodatek SI, oddíl 6). Výsledky získané z těchto dvou měření jsou ve vynikající shodě (obr. 3B).

naměřené spektrální záření jsme integrovali (obr., 3C) v průběhu 8 – 14 µm okna, aby se získal celkový tepelně emitovaného integrovaná zář jako funkce teploty, která ukázala požadovaný ZDTE efekt v ∼30 °C, teplota okna soustředěný kolem ∼120 °C (Obr. 3D). Od středu fázového přechodu SmNiO3, tedy pod ∼80 a nad ∼140 °C, se profil radiance vs. teploty monotónně zvyšuje, jak se očekávalo u typického netermochromního tepelného emitoru. Bereme na vědomí, že ZDTE efekt je poměrně robustní pro různé úhly emisí (si Dodatek, oddíl 7).,

přítomnost oblasti s nulovým diferenciálem má hluboké důsledky pro infračervené zobrazování a kontrolu infračervené viditelnosti. Prokázat to, jsme provedli modelový experiment, kde se dva vzorky—naše ZDTE a referenční sapphire oplatky—byly namontovány na řízenou teplotou chuck taková, že jen roh se dotýká chuck a většina vzorku byla pozastavena ve vzduchu, což má za následek teplotní gradient od ∼140 °C přímo na vrcholu chuck ∼105 °C na rohu pozastavena oblasti., Při zobrazení pomocí infračervené kamery s dlouhou vlnou (LWIR) je gradient snadno pozorovatelný na safírovém odkazu (obr. 1B)ale téměř úplně zmizí na našem ZDTE založeném na SmNiO3 (obr. 1D). Všimněte si, že světlé místo na spodní straně vzorku ZDTE odpovídá oblasti bez SmNiO3 (tj. Toto je oblast pokrytá sponou použitou k montáži vzorku do rozprašovací Komory. Zdánlivý teplotní rozdíl ve vzorcích na základě obrazu kamery byl ∼34 °C pro safír a ∼9 °C pro ZDTE. Stejný jev je pozorován na obr., 4, kde jsme se ukázat, teplota vývoji infračervené vzhled SmNiO3 na bázi ZDTEs ve srovnání s naší laboratoři tělesa odkazem (uhlíkové nanotrubičky lesa) a safír a taveného křemene destiček. Všimněte si, že jsme numericky analyzovali pokles teploty v celé tloušťce sapphire oplatka (tj. z tepla fázi k povrchu vzorku) a zjistil, že to je méně než 0,1 °C (SI Dodatek, část 8).

Upozorňujeme, že přítomnost nulové diferenciální emise nemusí nutně zaručit zcela nezávislé infračervené podpisy na teplotě. Například malé rozdíly lze stále pozorovat v emisích z našich ZDTEs při 110 °C vs. 140 °C na obr., 4, vyplývající z kombinace efektů, které zahrnují nedokonalé zrušení tělesa křivky a změny odraženého světla z prostředí, protože změna emisivity se shoduje se změnou odrazivosti. Ten může být kompenzován během návrhu ZDTEs zvážením vyzařovaného i odraženého světla za předpokladu určité teploty pozadí.,

Na závěr jsme předvedli, že typický one-to-one vztah mezi teplotou a tepelné záření může být oddělena pomocí zero-diferenciální teplotní vysílač (ZDTE) povlaky na SmNiO3, kvantový materiál s hysterezí-zdarma tepelně řízený izolant-kov přechodu (IMT). Rozsah teploty nula-diferenciální emisí účinek může být široce naladěný kmen, doping, nebo tilt ovládání SmNiO3, který může posunout přechod rozsahu na teplotu místnosti, a dokonce i níže (15, 23⇓-25)., Například, slitiny samaria a neodymu nickelates může mít IMT teplotách zhruba mezi 100 °C a 100 °C v závislosti na konkrétním složení (26), která může umožnit ZDTE design v širokém rozsahu teplot (SI Dodatek, oddíl 9). Schopnost oddělit teplota a tepelné záření s naší jednoduchý design umožňuje přístupy k zakrytí tepelné stopy na velkých plochách, například pro nošení osobní technologií, a má také důsledky pro řízení teploty v prostoru., Obecněji může tato demonstrace motivovat oblasti výzkumu kvantových materiálů, které mají vysoce laditelné elektronické struktury.