Hőmérséklet-független termikus sugárzás

• termikus sugárzás
• termikus emisszió
• fázisátalakulás
• kvantum anyagok
• hőátadás

A teljes mennyiségű energiát hő által kibocsátott felület a szabad tér nyerhető integrálásával a spektrális radiance—által adott Planck-törvény, illetve az emissziós tényezőt—minden hullámhosszon, illetve félgömb alakú szögek (1, 2)., Feltételezve, hogy elhanyagolható szögletes függőség az emissziós tényező, valamint a csomagolás szögletes szerves be a blackbody engedély, IBB(λ,T), ez a kapcsolat lehet kifejezni asA∫λdλ ε(λ,T)IBB(λ,T)=Aetot(T)σT4,ahol a felület, ε(λ,T) a spektrális emissziós tényező, λ a szabad tér-hullámhossz, T a hőmérséklet, σ a Stefan–Boltzmann állandó., A teljes emissziós tényező, ez(T), van egy fokozatos hőmérséklet függése még akkor is, ha a spektrális emissziós tényező nem rendelkezik ilyen függőség miatt az integráció ε(λ)IBB(λ,T), (3); azonban, ez a függőség általában messze meghaladja a T4 kifejezést, így ez gyakran tekinteni, mintegy állandó. Így a Stefan-Boltzmann-törvény egy-egy leképezést ad egy tárgy hőmérsékletének és a kibocsátott energiának, ami a hagyományos bölcsességet eredményezi, hogy a melegebb tárgyak több fényt bocsátanak ki (ábra. 1 A és C), valamint olyan alkalmazások engedélyezése, mint az infravörös képalkotás és a nem kontaktus termometria (4, 5).,

a közel állandó emisszivitásra vonatkozó feltételezést újra kell vizsgálni olyan hőkibocsátók esetében, amelyek olyan anyagokat tartalmaznak, amelyek optikai tulajdonságai széles körben beállíthatók a hőmérséklettel (azaz termokrómokkal). Például, egy emissziós tényező, amely növeli a hőmérséklet következtében kibocsátott energiát gyorsabban nő, mint a T4 (6, 7), valamint az emissziós tényezőt, hogy gyorsan csökken a hőmérséklet meghaladhatják, majd fordított a lejtőn a tipikus Stefan–Boltzmann görbe (8, 9).,

Itt megmutatjuk, hogy lehet elérni, hogy egy teljes lebontását, a hagyományos, egy-egy feltérképezése között a hőmérséklet, a termikusan kibocsátott energiát, P. termikus-emissziós bevonattal, egyedi ingatlan szolgálhat, mint egy radiátor, hogy a kimenet fix mennyiségű hőt függetlenül attól, hogy a hőmérséklet pedig lehet elrejteni hőmérséklet-különbségek át egy tárgyat infravörös kamera. Ez a feltétel lehet írni, mint ∂p / ∂t = 0 és akkor fordul elő, amikor etot=yT-4, ahol γ egy állandó egységek kelvin (4)., A felület etot, amely illeszkedik ez a forma egy bizonyos hőmérsékleti tartományban ezentúl nevezik nulla-differenciál termikus emitter (ZDTE). A ZDTE viselkedés valós anyagok felhasználásával történő elérése rendkívül nagy kihívást jelent: az emisszivitás hőmérsékletváltozásának szükséges sebessége sokkal nagyobb, mint amit hagyományos anyagok (például sávos félvezetőkkel, például szilíciummal, a vezetősávban lévő elektronok hőmérsékletfüggő populációján keresztül lehet elérni; ábra. 1B), de kisebb, mint a hirtelen fázisátmenetekkel rendelkező anyagoké (pl. vanádium-dioxid; refs. 8 és 10)., Ezenkívül ez a feltétel csak az emisszivitás hiszterezismentes hőmérsékletfüggése esetén lehetséges; ellenkező esetben a ZDTE-állapot csak Fűtés vagy hűtés során teljesülhet, de nem mindkettő (tovább tárgyalva SI függelék, 1.szakasz).,

Itt bemutatjuk ZDTE a 8 – 14-µm légköri átlátszóság ablak (11) a szamárium nikkel-oxid (SmNiO3), egy összefügg perovskite, hogy a funkciók erős, mégis viszonylag fokozatos evolúció az optikai tulajdonságok a hőmérséklet-tartományban, a ∼40 ∼140 °C, ami egy teljesen visszafordítható hiszterézis-ingyenes termikusan hajtott szigetelő-fém átmenet (IMT) (12⇓⇓⇓-16). Az SmNiO3 termikus IMT-je az Ni-hely töltési aránytalanságának köszönhető, és a ni–O–Ni kötés szögének finom változásait vonja maga után (12, 16)., Az SmNiO3 filmjeinkben (módszerek)ez a termikusan hajtott átmenet sok cikluson át visszafordítható, és lényegében nincs hiszterézis mindkét elektromos (ábra. 2a) és optikai mérések (ábra. 2B), éles ellentétben sok más anyag erős IMTs . Hiszterézis-ingyenes IMTs megtalálható ritkaföldfém-nickelates magas fázis-átmenet a hőmérséklet, ahol elhanyagolható vagy teljes hiánya a hiszterézis lehet az oka, hogy a függetlenítés az IMT a antiferromagnetic megrendelése, valamint gyorsabb fázis-átalakulás kinetikai magasabb hőmérsékleten (18, 19)., Az egyedi jellegét a IMT is közvetlenül megfigyelhető a térben megoldani X-ray abszorpciós spektroszkópia (XAS) térképek át a termikus átmenet , amelyek bizonyítják, sima változása a hőmérséklet (azaz hiányában fém/szigetelő domain textúra, bármilyen hőmérsékleten) egy ∼20 nm-es skála hossza, beleértve a hőmérséklet mélyen az IMT; lásd Módszerek SI Függelék 5. szakasz részt a részletekért. A detektor zaján kívül más térbeli jellemzőket nem figyeltek meg., A térbeli térképek trendje (beleértve az SI függelék 5. szakaszának további adatait is) a szigetelési korláttól a fémesig terjedő sima keresztezést sugallja, amelyet homogén fáziskép kísér. Az SI függelék számos cikluson át tartó stabilitást mutató kísérleti adatokat (SI függelék, 2.szakasz) és röntgen diffrakciós méréseket tartalmaz, amelyek tovább magyarázzák az átmeneti viselkedést (SI függelék, 3. szakasz).

a termikus kibocsátók SmNiO3 használatával történő tervezéséhez hőmérsékletfüggő változó szögű spektroszkópiai ellipszometriát végeztünk a 2-16 µm hullámhossz-tartományban, a fázisátmenet teljes tartományán keresztül (ábra). 2 C és D)., A kapott összetett fénytörési index adatok összhangban vannak a film fokozatosan egyre több fém a szoba hőmérsékletét, ∼140 °C. megjegyezzük, hogy miközben fokozatos átmenetek vannak, általában úgy, hogy kevésbé hasznos, mint a hirtelen átmenetek elektronikus, optikai váltás technológiák, itt a fokozatos, valamint hiszterézis-szabad természet az IMT a SmNiO3 elengedhetetlen a felismerés, hogy ZDTEs.

a gyártás összetettségének és költségének minimalizálása, valamint a robusztus és nagy területű Zdte-k megvalósítása érdekében az SmNiO3 nem festett vékony filmjein alapuló terveket vizsgáltunk., A hőmérsékletfüggő optikai tulajdonságokat az ábrán használtuk. 2 C és D, valamint jól bevált optikai vékonyréteg-számítások (20)az SmNiO3 film vastagságának és az SmNiO3 szintézist támogató szubsztrátumnak a szükséges kombinációjának megtalálásához (2. ábra). 3a és SI függelék, 4. szakasz) a zdte eléréséhez a 8-14 µm – es légköri átlátszóság ablakban. A Füge. 3A, ábrázoltuk a kibocsátott integrált sugárzás számított hőmérsékleti származékát az SmNiO3 több vastagságára a zafíron, ami azt jelzi,hogy a Zdte érhető el az SmNiO3 vastagsága ∼150 nm vagy annál nagyobb., Az eredmény nem sokat változik a SM 250 nm-nél vastagabb SmNiO3 filmek esetében, jelezve, hogy az aljzat optikai tulajdonságai nem befolyásolják az emissziót, így az SmNiO3 sokoldalú felületi bevonat, amely skálázható technológiákhoz használható.

a gyártott sík eszköz egy ∼220 nm-es SmNiO3 filmből áll, amelyet egy c-sík zafír szubsztrátumon termesztenek (ábra. 3 A, Inset; lásd a részletes módszereket), amelyből megmérjük az emissziót és a kapott termikusan kibocsátott spektrális sugárzást. Mivel a kapott struktúra átlátszatlan a hullámhossz-tartományunkban, és a hullámhossz-skálán lapos, Kirchhoff törvénye felhasználható az eN(λ,T) normál irányú emissziós értékek kiszámításához a normál előfordulási reflexiós mérésekből: eN(λ,T)=1-RN(λ,T) (lásd a részleteket)., Ezt az eredményt közvetlenül a hőkibocsátás mérésével erősítettük meg, normalizálva egy függőlegesen orientált 0,1 mm magas szén nanocsöves erdőből álló laboratóriumi feketetestre (módszerek). Ügyeltünk arra, hogy elkülönítsük a minta termikus kibocsátását a műszerünk különböző komponensei által sugárzott termikus háttérből (22) (SI függelék, 6.szakasz). Az e két mérésből származó eredmények kiváló egyetértésben vannak (ábra. 3B).

integráltuk a mért spektrális sugárzást (ábra., 3C) a 8-14 µm – es ablak felett a teljes termikusan kibocsátott integrált sugárzást a hőmérséklet függvényében kapja meg, amely a kívánt ZDTE-hatást a ∼30 °C hőmérsékleti ablakon belül mutatta ∼120 °C körül (ábra. 3D). Az SmNiO3 fázisátmenetének középpontjától távol, azaz ∼80 ° C alatt vagy ∼140 °C felett a sugárzási-vs.-hőmérsékleti profil monoton módon növekszik, amint az egy tipikus nem termokróm hőkibocsátó esetében várható. Megjegyezzük, hogy a ZDTE hatás meglehetősen robusztus a különböző kibocsátási szögekhez (SI függelék, 7.szakasz).,

a zéró-differenciális régió jelenléte mélyreható hatással van az infravörös képalkotásra és az infravörös láthatóság szabályozására. Ezt bizonyítja, mi végre egy modell kísérlet, ahol a két minta—a ZDTE, valamint referencia-zafír ostya—volt szerelve egy hőmérséklet vezérelt chuck olyan, hogy csak egy sarokban megható volt a chuck pedig a legtöbb minta volt függesztve a levegőben, ami a hőmérséklet-gradiens a ∼140 °C-on közvetlenül a tetején a chuck ∼105 °C-on, a sarokban a felfüggesztett területen., Ha egy hosszú hullámú infravörös (lwir) kamerával imaged, a gradiens könnyen megfigyelhető a zafír referencia (ábra. 1B) de szinte teljesen eltűnik a SmNiO3-alapú ZDTE (ábra. 1D). Vegye figyelembe, hogy a zdte minta alsó oldalán lévő fényes folt egy SmNiO3-as régiónak felel meg (azaz egyszerűen zafír). Ez az a terület, amelyet a minta porlasztókamrába történő rögzítéséhez használt klip borít. A kameraképen alapuló mintákon belüli látszólagos hőmérsékletkülönbség a zafír esetében ∼34 °C, a zdte esetében pedig ∼9 °C volt. Ugyanez a jelenség figyelhető meg az ábrán., (4) ahol a hőmérséklet alakulását mutatja az infravörös megjelenése SmNiO3-alapú ZDTEs képest laboratóriumi blackbody referencia (carbon nanotube forest), valamint a zafír, olvasztott szilícium-dioxid ostya. Vegye figyelembe, hogy számszerűen elemeztük a hőmérséklet csökkenését a zafír ostya vastagságán (azaz a hőtől a minta felületéig), és megállapítottuk, hogy kevesebb, mint 0,1 °C (SI függelék, 8.szakasz).

megjegyezzük, hogy a nulla-differenciál emisszió jelenléte nem feltétlenül garantálja a teljesen hőmérséklet-független infravörös aláírásokat. Például enyhe különbségek figyelhetők meg a zdte-k kibocsátásában 110 °C-on, szemben a 140 ° C-os ábrán., (4) a fekete test görbe tökéletlen törlését és a visszavert fény környezetből történő változását tartalmazó hatások kombinációjából ered, mivel az emisszivitás változása egybeesik a reflektancia változásával. Ez utóbbi kompenzálható a ZDTEs kialakítása során, figyelembe véve mind a kibocsátott, mind a visszavert fényt, feltételezve egy adott háttérhőmérsékletet.,

A következtetés, bebizonyítottuk, hogy a tipikus egy-egy kapcsolat hőmérséklet, valamint a termikus sugárzás lehet levágott segítségével nulla-differenciál termikus emitter (ZDTE) bevonatok alapján SmNiO3, egy kvantum anyag a hiszterézis-ingyenes termikusan hajtott szigetelő-fém átmenet (IMT). A nulla-differenciál emissziós hatás hőmérsékleti tartományát széles körben be lehet hangolni az SmNiO3 törzs, dopping vagy dőlésszabályozásával, amely az átmeneti tartományt szobahőmérsékletre, sőt az alá is eltolhatja (15, 23⇓-25)., Például a szamárium és a neodímium nickelátok ötvözetei az adott összetételtől függően nagyjából -100 °C és 100 °C között lehetnek IMT-hőmérsékletek (26), amelyek lehetővé tehetik a ZDTE kialakítását széles hőmérsékleti tartományban (SI függelék, 9.szakasz). Az a képesség, hogy választanunk hőmérséklet, valamint a termikus sugárzás az egyszerű design lehetővé teszi, megközelítések, hogy elrejtse hőforrás nagy területre, például hordható személyes adatvédelmi technológiák, valamint kihat thermal management az űrben., Tágabb értelemben ez a demonstráció motiválhatja a kvantumanyagok vizsgálati területeit, amelyek rendkívül hangolható elektronikus struktúrákkal rendelkeznek.