Radiación térmica independiente de la temperatura

• radiación térmica
• emisión térmica
• transición de fase
• Materiales cuánticos
• transferencia de calor

la cantidad total de potencia emitida térmicamente por una superficie en el espacio libre se puede obtener integrando su radiación espectral—dada por la Ley de Planck y una emisividad—sobre todas las longitudes de onda y ángulos hemisféricos (1, 2)., Suponiendo una dependencia angular insignificante de la emisividad y envolviendo la integral angular en la distribución del cuerpo negro, IBB (λ, T), esta relación se puede expresar asa∫λdλ ε(λ,T) IBB(λ,T)=aetot(t) σT4,donde A es el área de superficie, ε(λ,T) es la emisividad espectral, λ es la longitud de onda del espacio libre, T es la temperatura, y σ es la constante de Stefan-Boltzmann., La emisividad total, etot(T), puede tener una dependencia gradual de la temperatura incluso si la emisividad espectral no tiene tal dependencia debido a la integración de ε(λ)IBB (λ,T) (3); sin embargo, esta dependencia es generalmente empequeñecida por el término T4, por lo que etot a menudo se puede considerar aproximadamente constante. Por lo tanto, la Ley de Stefan–Boltzmann produce un mapeo uno a uno entre la temperatura de un objeto y la potencia emitida, lo que resulta en la sabiduría convencional de que los objetos más calientes emiten más luz (Fig. 1 A y C) y aplicaciones habilitadoras tales como imágenes infrarrojas y termometría sin contacto (4, 5).,

esta suposición de una emisividad casi constante debe reexaminarse para los emisores térmicos que comprenden materiales cuyas propiedades ópticas pueden ajustarse ampliamente con la temperatura (es decir, termocrómicos). Por ejemplo, una emisividad que aumenta con la temperatura puede resultar en que la potencia emitida crezca más rápido que T4 (6, 7), y una emisividad que disminuye rápidamente con la temperatura puede abrumar e invertir la pendiente de la curva típica de Stefan–Boltzmann (8, 9).,

Aquí, mostramos que es posible lograr una ruptura completa del mapeo uno a uno convencional entre la temperatura y la potencia emitida térmicamente, P. un revestimiento de emisión térmica con esta propiedad única puede servir como un radiador que emite una cantidad fija de calor independientemente de su temperatura y puede ocultar las diferencias de temperatura a través de un objeto de las imágenes infrarrojas. Esta condición se puede escribir como ∂P / ∂T = 0 y ocurre cuando etot=YT-4, donde γ es una constante con unidades de kelvin (4)., Una superficie con etot que se ajusta a esta forma en algún rango de temperatura se conoce en adelante como un Emisor térmico diferencial cero (ZDTE). Lograr el comportamiento ZDTE usando materiales reales es extremadamente desafiante: la tasa necesaria de cambio de la emisividad con la temperatura es mucho mayor que lo que se puede lograr usando materiales convencionales (por ejemplo, con semiconductores de banda como el silicio, a través de la población de electrones dependiente de la temperatura en la banda de conducción; Fig. 1B) pero es más pequeño que el de los materiales con transiciones de fase abruptas (por ejemplo, dióxido de vanadio; refs. 8 y 10)., Además, esta condición solo es posible para una dependencia de temperatura libre de histéresis de la emisividad; de lo contrario, la condición ZDTE solo puede satisfacerse durante el calentamiento o enfriamiento, pero no ambos (se analiza más detalladamente en el Apéndice SI, Sección 1).,

aquí, demostramos ZDTE en la ventana de Transparencia atmosférica de 8 a 14 µm (11) utilizando óxido de níquel de samario (SmNiO3), una perovskita correlacionada que presenta una evolución fuerte pero relativamente gradual de sus propiedades ópticas en el rango de temperatura de 4 40 a °140 ° C, como resultado de una transición de aislador a metal (IMT) impulsada térmicamente totalmente reversible y libre de histéresis (12 ⇓ ⇓ ⇓ -16). La TMI térmica en SmNiO3 se debe a la desproporción de la carga en el sitio de Ni e implica cambios sutiles en el ángulo de enlace Ni–O–Ni (12, 16)., En nuestras películas SmNiO3 (Métodos), esta transición impulsada térmicamente es reversible durante muchos ciclos y esencialmente no tiene histéresis en ambos eléctricos (Fig. 2A) y mediciones ópticas (Fig. 2B), en marcado contraste con muchos otros materiales con IMTs fuertes . Las IMT libres de histéresis se pueden encontrar en nickelatos de tierras raras con altas temperaturas de transición de fase, donde la ausencia insignificante o completa de histéresis puede deberse al desacoplamiento de la IMT con un orden antiferromagnético y una cinética de transformación de fase más rápida a temperaturas más altas (18, 19)., La naturaleza única de esta IMT también se observa directamente en nuestros mapas de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) de resolución espacial a través de la transición térmica , que demuestran una variación suave con la temperatura (es decir, la ausencia de cualquier textura de dominio metálico/aislante a cualquier temperatura) hasta una escala de longitud de nm 20 nm, incluso para temperaturas profundas dentro de la IMT; ver Métodos y apéndice SI, sección 5 para más detalles. No se observaron otras características espaciales aparte del ruido del detector., La tendencia en estos mapas espaciales (incluyendo datos adicionales en el apéndice del SI, sección 5) sugiere un cruce suave del límite aislante al metálico, que está acompañado por un paisaje de fase homogéneo. El apéndice del SI incluye datos experimentales que muestran la estabilidad durante muchos ciclos (apéndice del SI, Sección 2) y mediciones de difracción de rayos X que ayudan a explicar el comportamiento de Transición (apéndice del SI, sección 3).

para permitir el diseño de emisores térmicos utilizando SmNiO3, realizamos elipsometría espectroscópica de ángulo variable dependiente de la temperatura en el rango de longitud de onda de 2 a 16 µm, a través de todo el rango de la transición de fase (Fig. 2 C y D)., Los complejos datos del índice de refracción resultantes son consistentes con que la película se vuelva gradualmente más metálica desde la temperatura ambiente hasta ∼140 °C. observamos que mientras que las transiciones graduales generalmente se consideran menos útiles que las transiciones abruptas para las tecnologías de conmutación electrónica y óptica, aquí la naturaleza gradual y libre de histéresis del IMT en SmNiO3 es esencial para la realización de ZDTEs.

para minimizar la complejidad y el costo de fabricación y, por lo tanto, realizar zdtes robustos y de gran área, exploramos diseños basados en películas delgadas sin patrón de SmNiO3., Utilizamos las propiedades ópticas dependientes de la temperatura en la Fig. 2 C y D y cálculos ópticos de película delgada bien establecidos (20) para encontrar la combinación necesaria de espesor de una película SmNiO3 y un sustrato que soporte la síntesis SmNiO3 (Fig. 3a y si Apéndice, sección 4) para lograr ZDTE sobre la ventana de Transparencia atmosférica de 8 a 14 µm. En La Fig. 3A, trazamos la derivada de temperatura calculada de la radiación integrada emitida para varios espesores de SmNiO3 en Zafiro, lo que indica que se puede lograr ZDTE para un grosor de SmNiO3 de ∼150 nm o más., El resultado no cambia mucho para películas SmNiO3 más gruesas que nm 250 nm, lo que indica que las propiedades ópticas del sustrato no afectan la emisividad, lo que hace que SmNiO3 sea un recubrimiento superficial versátil que se puede utilizar para tecnologías escalables.

nuestro dispositivo plano fabricado consiste en una película SmNiO3 de ∼220 nm cultivada en un sustrato de zafiro plano C (Fig. 3 A, recuadro; ver métodos para más detalles), a partir del cual medimos la emisividad y la radiación espectral emitida térmicamente resultante. Debido a que la estructura resultante es opaca en nuestra región de longitud de onda de interés y plana en la escala de la longitud de onda, la Ley de Kirchhoff se puede usar para calcular la emisividad de dirección normal eN(λ,T) A partir de mediciones de reflectancia de incidencia normal: eN(λ,T)=1-RN(λ,T) (ver métodos para más detalles)., Confirmamos este resultado midiendo la emisión térmica directamente, normalizando a un cuerpo negro de laboratorio que consiste en un bosque de nanotubos de carbono de 0,1 mm de altura orientado verticalmente (métodos). Se tuvo cuidado de aislar la emisión térmica de la muestra del fondo térmico irradiado por los diversos componentes de nuestro instrumento (22) (Apéndice SI, sección 6). Los resultados obtenidos de estas dos mediciones están en excelente concordancia (Fig. 3B).

integramos la radiación espectral medida (Fig., 3C) sobre la ventana de 8 a 14 µm para obtener la radiación integrada total emitida térmicamente en función de la temperatura, que mostró el efecto zdte deseado dentro de una ventana de temperatura de 3 30 °C centrada alrededor de ∼120 °C (Fig. 3D). Lejos del centro de la transición de fase de SmNiO3, es decir, por debajo de ∼80 y por encima de 1 140 °C, el perfil de radiación vs.temperatura aumenta monótonamente, como se espera para un Emisor térmico no termocrómico típico. Observamos que el efecto ZDTE es bastante robusto para diferentes ángulos de emisión (Apéndice SI, sección 7).,

la presencia de la región diferencial cero tiene profundas implicaciones para la imagen infrarroja y el control de la visibilidad infrarroja. Para demostrar esto, realizamos un experimento modelo en el que dos muestras—nuestra zdte y una oblea de zafiro de referencia—se montaron en un mandril de temperatura controlada de tal manera que solo una esquina tocaba el mandril y la mayor parte de la muestra se suspendió en el aire, lo que resultó en un gradiente de temperatura de ∼140 °C directamente encima del mandril a ∼105 °C En la esquina del área suspendida., Cuando se toma una imagen con una cámara infrarroja de onda larga (LWIR), el gradiente es fácilmente observable en la referencia de zafiro (Fig. 1B) pero casi desaparece por completo en nuestro Zdte basado en SmNiO3 (Fig. 1D). Tenga en cuenta que el punto brillante en la parte inferior de la muestra ZDTE corresponde a una región sin SmNiO3 (es decir, es simplemente zafiro). Esta es el área cubierta por el clip utilizado para montar la muestra en la cámara de pulverización catódica. La diferencia aparente de temperatura entre las muestras basada en la imagen de la cámara fue de 3 34 °C para el sapphire y 9 9 °C para el ZDTE. El mismo fenómeno se observa en la Fig., 4, donde mostramos la evolución de la temperatura de la apariencia infrarroja de Zdtes basados en SmNiO3 en comparación con nuestra referencia de cuerpo negro de laboratorio (bosque de nanotubos de carbono) y obleas de zafiro y sílice fundida. Tenga en cuenta que analizamos numéricamente la caída de temperatura a través del grosor de la oblea de zafiro (es decir, desde la etapa de calor hasta la superficie de la muestra) y encontramos que es inferior a 0.1 °C (Apéndice SI, Sección 8).

observamos que la presencia de emisión diferencial cero no garantiza necesariamente firmas infrarrojas completamente independientes de la temperatura. Por ejemplo, todavía se pueden observar ligeras diferencias en la emisión de nuestros ZDTEs a 110 °C vs.140 °C En La Fig., 4, Resultado de una combinación de efectos que incluyen la cancelación imperfecta de la curva del cuerpo negro y el cambio de la luz reflejada del entorno, ya que un cambio en la emisividad coincide con un cambio en la reflectancia. Esto último se puede compensar durante el diseño de ZDTEs considerando tanto la luz emitida como la reflejada, asumiendo una temperatura de fondo particular.,

en conclusión, demostramos que la relación típica de uno a uno entre la temperatura y la radiación térmica se puede cortar utilizando recubrimientos de Emisor térmico diferencial cero (ZDTE) basados en SmNiO3, un material cuántico que presenta una transición de aislador a metal (IMT) impulsada térmicamente libre de histéresis. El rango de temperatura del efecto de emisión diferencial cero se puede ajustar ampliamente mediante el control de deformación, dopaje o inclinación de SmNiO3, que puede cambiar el rango de transición a temperatura ambiente e incluso por debajo (15, 23⇓-25)., Por ejemplo, las aleaciones de niquelatos de samario y neodimio pueden tener temperaturas IMT aproximadamente entre -100 °C y 100 °C dependiendo de la composición específica (26), lo que puede permitir el diseño de ZDTE en un amplio rango de temperaturas (Apéndice SI, Sección 9). La capacidad de desacoplar la temperatura y la radiación térmica con nuestro diseño simple permite enfoques para ocultar firmas de calor en grandes áreas, por ejemplo, para tecnologías de privacidad personal portátiles, y también tiene implicaciones para la gestión térmica en el espacio., En términos más generales, esta demostración puede motivar áreas de investigación para materiales cuánticos que poseen estructuras electrónicas altamente sintonizables.