Lämpötila-riippumaton terminen säteily

• lämpösäteilyä
• lämpö päästöjä
• vaihe siirtyminen
• quantum materiaalit
• lämpö siirto

kokonaismäärä teho termisesti synnyttämä pinnan vapaata tilaa saadaan integroimalla sen spektrinen säteily—antama Planckin laki ja emissiokyky—yli kaikki aallonpituudet ja puolipallon kulmien (1, 2)., Olettaen, vähäinen kulmikas riippuvuus emissiivisyys ja käärimistä kulma kiinteä osaksi mustan kappaleen jakauma, IBB: n(λ,T), tämä suhde voidaan ilmaista asA∫λdλ ε(λ,T)IBB: n(λ,T)=Aetot(T)σT4,missä A on pinta-ala, ε(λ,T) on spektrinen emissiviteetti, λ on vapaan tilan aallonpituus, T on lämpötila, ja σ on Stefan–Boltzmannin vakio., Yhteensä emissiivisyys, etot(T), voi olla asteittainen lämpötilan riippuvuus, vaikka spektrinen emissiviteetti ei ole sellaista riippuvuutta, koska integrointi ε(λ)IBB: n(λ,T) (3); kuitenkin, tämä riippuvuus on yleensä peittäneet T4 aikavälillä, ja niin etot voidaan usein katsoa olevan likimain vakio. Näin ollen Stefan–Boltzmannin laki saadaan yksi-yhteen kartoitus lämpötila objektin ja lähetetyn tehon, jolloin perinteisen viisauden, että kuumempi esineitä päästää enemmän valoa (Kuva. 1 A ja C) ja mahdollistaa sovelluksia, kuten infrapuna kuvantaminen ja kontaktiton lämmönmittaus (4, 5).,

Tämä oletus on lähellä-jatkuva emissiivisyys on tarkasteltava uudelleen thermal aiheuttajat koostuu aineista, joiden optisia ominaisuuksia voidaan laajasti viritettävä lämpötila (ts, thermochromics). Esimerkiksi, emissiokyky, joka kasvaa lämpötilan voi aiheuttaa valon teho kasvaa nopeammin kuin T4 (6, 7), ja emissiokyky, että nopeasti heikkenee lämpötilan laskiessa voi hukuttaa ja käänteinen kaltevuus tyypillinen Stefan–Boltzmannin käyrä (8, 9).,

Tänne, me osoittavat, että on mahdollista saavuttaa täydellinen erittely perinteisen one-to-one kartoitus lämpötila ja termisesti synnyttämä virta, P. lämpö-päästöjen pinnoite, jossa on tämä ainutlaatuinen ominaisuus voi toimia jäähdytin, joka tulostaa tietyn määrän lämpöä riippumatta siitä, sen lämpötila ja voi salata lämpötila eroja eri objektin infrapuna imagers. Tämä ehto voidaan kirjoittaa ∂P/∂T=0 ja tapahtuu, kun etot=yT−4, missä γ on jatkuva kanssa yksikköä kelvin (4)., Pinta etot, joka sopii tässä muodossa yli joitakin lämpötila-alue on vastedes nimitystä nolla-differential thermal aiheuttaja (ZDTE). Saavuttaa ZDTE käyttäytymistä käyttäen oikeaa materiaaleja on erittäin haastava: tarvittavat muutosnopeus emissiokerroin, jossa lämpötila on paljon suurempi kuin mitä voidaan saavuttaa käyttämällä tavanomaisia materiaaleja (esim., jossa bändi puolijohteet, kuten piitä, via lämpötila-riippuvainen väestön elektronien johtuminen bändi; Fig. 1B) mutta on pienempi kuin sellaisten materiaalien, joilla on äkillisiä faasitransitioita (esim.vanadiinidioksidi; refs. 8 ja 10)., Lisäksi, tämä ehto on mahdollista vain hystereesi-vapaa lämpötila-riippuvuus emissiivisyys; muuten, ZDTE ehto voi vain olla tyytyväinen aikana joko lämmitys tai jäähdytys, mutta ei molempia (käsitellään tarkemmin SI-Liite, kohta 1).,

Täällä me osoittaa ZDTE 8 – 14 µm ilmakehän läpinäkyvyyttä ikkunan (11) käyttäen samarium-nikkeli oksidi (SmNiO3), joka korreloi perovskite, että ominaisuudet vahva mutta suhteellisen asteittainen kehitys sen optiset ominaisuudet yli lämpötila-alue ∼40 ∼140 °C, jolloin täysin palautuvia ja hystereesi-ilmainen termisesti ajettu eriste-metalli siirtyminen (IMT) (12⇓⇓⇓-16). Lämpö IMT vuonna SmNiO3 johtuu maksu disproportionaatio Ni-sivuston ja edellyttää hienovaraisia muutoksia Ni–O–Ni bond kulma (12, 16)., Meidän SmNiO3 elokuvia (Menetelmät), tämä termisesti ajettu siirtyminen on käännettävä ympäri monta kierrosta, ja on olennaisesti ei hystereesi sekä sähkö (Fig. 2A) ja optiset mittaukset (Kuva. 2B), jyrkässä ristiriidassa monien muiden materiaalien vahva IMTs . Hystereesi-ilmainen IMTs löytyy harvinaisten maametallien nickelates korkea faasimuutoksen lämpötila, jossa vähäinen tai täydellinen puuttuminen hystereesi voi johtua irrottaminen IMT kanssa antiferromagnetic tilaus ja nopeampi vaihe-muutos kinetiikka korkeammissa lämpötiloissa (18, 19)., Ainutlaatuinen luonto tämän IMT on myös suoraan havaittu myös alueellisesti ratkaistu X-ray absorption spectroscopy (XAS) kartat koko lämmön siirtyminen , joka osoittaa, sileä vaihtelu lämpötilan (eli ilman mitään metallinen/eristys-toimialueen rakenne missä tahansa lämpötilassa) alas ∼20-nm pituus mittakaavassa, myös lämpötilat syvällä IMT; ks. Menetelmiä ja SI-Liite, kohta 5 lisätietoja. Mitään muita spatiaalisia ominaisuuksia kuin detektorimelua ei havaittu., Trendi näissä maankäytön kartat (mukaan lukien tiedostojen tiedot SI-Liite, kohta 5) ehdottaa, sileä rajat yli-eristävä raja metallinen yksi, joka on mukana homogeeninen vaihe maisema. SI-Liite sisältää kokeellista tietoa näytetään vakautta yli monta sykliä (SI-Liite, kohta 2) ja X-ray diffraction mittauksia, jotka edelleen auttaa selittämään siirtyminen käyttäytymistä (SI-Liite, kohta 3).

Jotta suunnittelu lämpö aiheuttajat käyttäen SmNiO3, me suoriteta lämpötila-riippuvainen muuttuja-kulma spektroskooppista ellipsometry yli 2 – 16-µm: n aallonpituusalueella, läpi koko valikoiman faasimuutos (Fig. 2 C ja D)., Tuloksena monimutkainen taitekerroin-indeksi tiedot ovat yhdenmukaisia elokuva tulossa vähitellen enemmän metallisen huoneen lämpötila on noin 140 °C. toteamme, että vaikka asteittainen siirtymät ovat yleensä pidetä vähemmän hyödyllisiä kuin äkillisiä siirtymiä sähköinen ja optinen kytkentä teknologioita, täällä asteittainen ja hystereesi-vapaa luonne IMT vuonna SmNiO3 on välttämätöntä toteutumista ZDTEs.

minimoida valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia ja siten ymmärtää, vankka ja laaja-alue ZDTEs, tutkimme mallit perustuvat unpatterned ohut elokuvia SmNiO3., Käytimme lämpötilasta riippuvia optisia ominaisuuksia Fig. 2 C ja D ja vakiintunut optinen thin-film laskelmat (20) löytää tarvittavat yhdistelmä paksuus on SmNiO3 elokuva ja alustan, joka tukee SmNiO3 synteesi (Fig. 3A ja SI-Liite, kohta 4) saavuttaa ZDTE yli 8 – 14 µm ilmakehän läpinäkyvyyttä ikkunan. Kuvassa. 3A, me piirretään laskettu lämpötila johdannainen pääsee integroitu radianssi useita paksuudet SmNiO3 safiiri, joka osoittaa, että ZDTE voidaan saavuttaa SmNiO3 paksuus ∼150 nm tai enemmän., Tulos ei muutu paljon SmNiO3 elokuvia paksumpi kuin ∼250 nm, mikä osoittaa, että optiset ominaisuudet perusaine eivät vaikuta emissiivisyys, jolloin SmNiO3 monipuolinen pinnoite, joka voidaan hyödyntää skaalautuvia teknologioita.

– Meidän valmistettu tasomainen laite koostuu ∼220 nm SmNiO3 elokuva kasvanut c-plane safiiri alustaan (Kuva. 3 A, Inset; Katso yksityiskohtaiset menetelmät), josta mittasimme emissiivisyyden ja siitä johtuvan termisesti säteilevän spektrisen säteilyn. Koska rakenne on läpinäkymätön meidän aallonpituus alueen etua ja taulu asteikolla aallonpituus, Kirchhoffin lain avulla voidaan laskea normaaliin suuntaan emissiivisyys fi(λ,T) normaali-esiintyvyys heijastuskyky mitat: fi(λ,T)=1−RN(λ,T) (ks. Menetelmiä lisätietoja)., Olemme vahvistaneet tämän tuloksen mittaamalla lämpö päästöjä suoraan, normalisoi laboratorio mustan, joka koostuu pystysuoraan suuntautunut 0,1-mm-pitkä hiilinanoputken metsä (Menetelmät). Hoito oli otettu eristää näytteen lämpö-päästöt lämpö tausta säteilemää eri osien meidän väline (22) (SI-Liite, kohta 6). Näistä kahdesta mittauksesta saadut tulokset ovat erinomaisessa yhteisymmärryksessä (Kuva. 3 B).

integroimme mitatun spektrisen säteilyn (Kuva., 3C) yli 8 – 14 µm: n ikkuna saada yhteensä termisesti pääsee integroitu radianssi lämpötilan funktiona, joka osoitti haluttu ZDTE vaikutus sisällä ∼30 °C lämpötila ikkunan keskittynyt ∼120 °C (Kuva. 3D). Päässä keskustasta vaiheeseen siirtyminen SmNiO3, että on, alle ∼80 ja edellä ∼140 °C, säteily-vs.-lämpötila profiili tulee monotonisesti kasvava, odotetusti tyypillinen nonthermochromic lämpö-lähettimen. Huomaamme, että ZDTE-vaikutus on melko vankka eri päästökulmiin (SI-Liite, 7 jakso).,

läsnäolo nolla-ero alueella on syvällisiä vaikutuksia infrapuna kuvantaminen ja valvonta infrapuna näkyvyyttä. Osoittaakseen tämän, me suoriteta malli kokeilu, jossa kaksi näytettä—meidän ZDTE ja viite safiiri kiekkojen—oli asennettu lämpötila-ohjattu chuck siten, että vain nurkassa oli liikuttavaa, chuck ja suurin osa näytteestä oli ilmassa, jolloin lämpötilan gradientti ∼140 °C suoraan päälle chuck ∼105 °C kulmassa keskeytetty alue., Kun kuvattavan pitkän aallon infrapuna (LWIR) kamera, kaltevuus on helposti havaittavissa safiiri viite (Fig. 1b) mutta katoaa lähes kokonaan SmNiO3-pohjaisella ZDTE: llä (Kuva. 1D). Huomaa, että zdte-näytteen alareunan valopilkku vastaa aluetta, jolla ei ole SmNiO3: a (eli se on yksinkertaisesti safiiri). Tämä on alue, jota peittää leikkeen, jota käytetään näytteen kiinnittämiseen sputterointikammioon. Näennäinen lämpötila ero eri näytteiden perusteella kameran kuva oli ∼34 °C safiiri ja ∼9 °C ZDTE. Sama ilmiö havaitaan Viikunassa., 4, jossa me näytä lämpötilan kehitys infrapuna ulkonäkö SmNiO3-pohjainen ZDTEs verrattuna meidän laboratorio mustan viite (hiilinanoputken metsä) ja safiiri ja sulatettu-piidioksidi kiekot. Huomaa, että emme numeerisesti analysoidaan lämpötilan lasku koko paksuus safiiri kiekkojen (eli lämpöä vaiheessa pintaan näyte) ja totesi, että se on vähemmän kuin 0,1 °C (SI-Liite, kohta 8).

– Emme huomaa, että läsnäolo nolla-ero päästöjen ei välttämättä takaa kokonaan lämpötila-riippumaton infrapuna allekirjoitukset. Esimerkiksi zdtes-päästöissä voidaan edelleen havaita pieniä eroja 110 °C: ssa ja 140 °C: ssa Viikunassa., 4, johtuvat yhdistelmä vaikutuksia, jotka ovat epätäydellisiä peruutusehdot mustan käyrän ja muutos näkyy valoa ympäristöön, koska muutos emissiivisyys osuu muutos heijastuskyky. Jälkimmäistä voidaan kompensoida zdtes-järjestelmän suunnittelun aikana ottamalla huomioon sekä säteilevä että heijastunut valo olettaen tietyn taustalämpötilan.,

lopuksi, olemme osoittaneet, että tyypillinen yksi-yhteen suhde lämpötila ja lämpösäteily voi olla katkaistu käyttäen nolla-differential thermal aiheuttaja (ZDTE) pinnoitteet perustuu SmNiO3, quantum-materiaalia, jossa on hystereesi-ilmainen termisesti ajettu eriste-metalli siirtyminen (IMT). Lämpötila-alue nolla-ero päästöjen vaikutus voi olla laajalti viritetty rasitusta, doping, tai kallistus valvonta SmNiO3, joka voi siirtää siirtyminen alue huoneen lämpötila ja jopa alle (15, 23⇓-25)., Esimerkiksi, seokset samarium ja neodyymi nickelates voi olla IMT lämpötiloissa suunnilleen välillä -100 °C ja 100 °C riippuen erityinen koostumus (26), joka saattaa mahdollistaa ZDTE muotoilu laajalla lämpötila-alueella (SI-Liite, kohta 9). Kyky irrottaa lämpötila ja lämpösäteilyn kanssa yksinkertainen muotoilu mahdollistaa lähestymistapoja salata lämpöjälkiä laajoilla alueilla, esimerkiksi puettavat yksityisyyden teknologioiden, ja on myös vaikutuksia thermal management in space., Laajemmin tämä demonstrointi voi motivoida kvanttimateriaalien tutkimusalueita, joilla on erittäin viritettäviä elektronisia rakenteita.