Radiazione termica indipendente dalla temperatura

• la radiazione termica
• emissione termica
• fase di transizione
• quantum materiali
• trasferimento di calore

La quantità totale di energia termicamente emessa da una superficie in spazio libero può essere ottenuta integrando la sua radianza spettrale—dato dalla legge di Planck e una emissività—su tutte le lunghezze d’onda e emisferica angoli (1, 2)., Supponendo trascurabile angolare dipendenza dell’emissività e confezionamento angolare integrali nella distribuzione di corpo nero, IBB(λ,T), questo rapporto può essere espresso asA∫λdλ ε(λ,T)IBB(l,T)=Aetot(T)σT4,dove A è l’area della superficie, ε(λ,T) è l’emissività spettrale, λ è spazio libero lunghezza d’onda, T è la temperatura, e s è la costante di Stefan–Boltzmann., L’emissività totale, etot(T), può avere una dipendenza graduale dalla temperatura anche se l’emissività spettrale non ha tale dipendenza a causa dell’integrazione di ε(λ)IBB (λ,T) (3); tuttavia, questa dipendenza è solitamente sminuita dal termine T4, e quindi etot può spesso essere considerato approssimativamente costante. Così, la legge di Stefan-Boltzmann produce una mappatura uno-a-uno tra la temperatura di un oggetto e la potenza emessa, con conseguente saggezza convenzionale che gli oggetti più caldi emettono più luce (Fig. 1 A e C) e abilitazione di applicazioni come l’imaging a infrarossi e la termometria senza contatto (4, 5).,

Questa ipotesi di emissività quasi costante deve essere riesaminata per emettitori termici comprendenti materiali le cui proprietà ottiche possono essere ampiamente sintonizzate con la temperatura (ad esempio, termocromici). Ad esempio, un’emissività che aumenta con la temperatura può causare una potenza emessa che cresce più velocemente di T4 (6, 7) e un’emissività che diminuisce rapidamente con la temperatura può sopraffare e invertire la pendenza della tipica curva di Stefan–Boltzmann (8, 9).,

Qui, mostriamo che è possibile ottenere una ripartizione completa della tradizionale mappatura uno-a-uno tra la temperatura e la potenza emessa termicamente, P. Un rivestimento a emissione termica con questa proprietà unica può servire come un radiatore che emette una quantità fissa di calore indipendentemente dalla sua temperatura e può nascondere le differenze di temperatura attraverso un oggetto da imager a infrarossi. Questa condizione può essere scritta come P P / T T = 0 e si verifica quando etot=yT−4, dove γ è una costante con unità di kelvin (4)., Una superficie con etot che si adatta a questa forma su un certo intervallo di temperatura è d’ora in poi indicata come emettitore termico zero-differenziale (ZDTE). Raggiungere il comportamento ZDTE utilizzando materiali reali è estremamente impegnativo: la velocità necessaria di cambiamento dell’emissività con la temperatura è molto più grande di quella che può essere raggiunta usando materiali convenzionali (ad esempio, con semiconduttori a banda come il silicio, attraverso la popolazione dipendente dalla temperatura degli elettroni nella banda di conduzione; Fig. 1B) ma è più piccolo di quello dei materiali con transizioni di fase brusche (ad esempio, biossido di vanadio; rif. 8 e 10)., Inoltre, questa condizione è possibile solo per una dipendenza da temperatura libera da isteresi dell’emissività; altrimenti, la condizione ZDTE può essere soddisfatta solo durante il riscaldamento o il raffreddamento, ma non entrambi (ulteriormente discusso nell’appendice SI, sezione 1).,

Qui, dimostriamo ZDTE nella finestra di trasparenza atmosferica da 8 a 14 µm (11) utilizzando l’ossido di nichel di samario (SmNiO3), una perovskite correlata che presenta un’evoluzione forte ma relativamente graduale delle sue proprietà ottiche nell’intervallo di temperatura da 4 40 a °140 ° C, risultante da una transizione isolante – metallo (IMT) completamente reversibile e priva di isteresi (12 ⇓ ⇓ ⇓ -16). L’IMT termico in SmNiO3 è dovuto alla sproporzione di carica nel sito Ni e comporta sottili cambiamenti nell’angolo di legame Ni–O–Ni (12, 16)., Nei nostri film SmNiO3 (metodi), questa transizione guidata termicamente è reversibile su molti cicli e non ha essenzialmente isteresi sia in elettrico (Fig. 2A) e misure ottiche (Fig. 2B), in netto contrasto con molti altri materiali con forti IMTS . Le IMT senza isteresi possono essere trovate in nickelati di terre rare con alte temperature di transizione di fase, dove l’assenza trascurabile o completa di isteresi può essere dovuta al disaccoppiamento dell’IMT con ordinamento antiferromagnetico e cinetica di trasformazione di fase più veloce a temperature più elevate (18, 19)., L’unicità di questo IMT è anche osservato direttamente nel nostro risolta spazialmente la spettroscopia di assorbimento X (XAS) mappe attraverso la transizione termica , che dimostrano liscia variazione con la temperatura (cioè, l’assenza di qualsiasi metallizzato/isolanti dominio texture a qualsiasi temperatura) fino a ∼20-nm lunghezza di scala, anche per le temperature in profondità all’interno della IMT; vedere Metodi e SI Appendice, sezione 5 per i dettagli. Non sono state osservate caratteristiche spaziali diverse dal rumore del rivelatore., L’andamento di queste mappe spaziali (inclusi i dati aggiuntivi nell’appendice SI, sezione 5) suggerisce un passaggio graduale dal limite isolante a quello metallico, che è accompagnato da un paesaggio di fase omogeneo. L’Appendice SI include dati sperimentali che mostrano stabilità su molti cicli (Appendice SI, sezione 2) e misure di diffrazione a raggi X che aiutano ulteriormente a spiegare il comportamento di transizione (Appendice SI, sezione 3).

Per consentire la progettazione di emettitori termici utilizzando SmNiO3, abbiamo eseguito ellissometria spettroscopica ad angolo variabile dipendente dalla temperatura nell’intervallo di lunghezze d’onda da 2 a 16 µm, attraverso l’intero intervallo della transizione di fase (Fig. 2 C e D)., I complessi dati dell’indice di rifrazione risultanti sono coerenti con il fatto che il film diventa gradualmente più metallico dalla temperatura ambiente a ∼140 °C. Notiamo che mentre le transizioni graduali sono generalmente considerate meno utili delle transizioni brusche per le tecnologie di commutazione elettronica e ottica, qui la natura graduale e priva di isteresi dell’IMT in SmNiO3 è essenziale per la realizzazione di ZDTEs.

Per ridurre al minimo la complessità e il costo di fabbricazione e quindi realizzare ZDTES robusti e di grandi dimensioni, abbiamo esplorato progetti basati su film sottili non modellati di SmNiO3., Abbiamo usato le proprietà ottiche dipendenti dalla temperatura in Fig. 2 C e D e consolidati calcoli ottici a film sottile (20) per trovare la combinazione necessaria di spessore di un film SmNiO3 e un substrato che supporta la sintesi SmNiO3 (Fig. 3A e SI Appendice, sezione 4) per ottenere ZDTE sopra la finestra di trasparenza atmosferica da 8 a 14 µm. In Fig. 3A, abbiamo tracciato la derivata di temperatura calcolata della radianza integrata emessa per diversi spessori di SmNiO3 su zaffiro, il che indica che ZDTE può essere raggiunto per lo spessore SmNiO3 di ∼150 nm o superiore., Il risultato non cambia molto per SmNiO3 film più spessi di nm 250 nm, indicando che le proprietà ottiche del substrato non influenzano l’emissività, rendendo SmNiO3 un rivestimento superficiale versatile che può essere utilizzato per tecnologie scalabili.

Il nostro dispositivo planare fabbricato è costituito da un film SmNiO3 di ∼220 nm coltivato su un substrato di zaffiro c-plane (Fig. 3 A, Inset; vedi Metodi per i dettagli), da cui abbiamo misurato l’emissività e la risultante radianza spettrale emessa termicamente. Poiché la struttura risultante è opaca nella nostra regione di lunghezza d’onda di interesse e piatta sulla scala della lunghezza d’onda, la legge di Kirchhoff può essere utilizzata per calcolare l’emissività di direzione normale eN(λ,T) dalle misure di riflettanza di incidenza normale: eN(λ,T)=1-RN(λ,T) (vedere i metodi per i dettagli)., Abbiamo confermato questo risultato misurando direttamente l’emissione termica, normalizzandola in un corpo nero di laboratorio costituito da una foresta di nanotubi di carbonio alta 0,1 mm orientata verticalmente (Metodi). Si è fatto attenzione ad isolare l’emissione termica del campione dal fondo termico irradiato dai vari componenti del nostro strumento (22) (Appendice SI, sezione 6). I risultati ottenuti da queste due misurazioni sono in ottimo accordo (Fig. 3 TER).

Abbiamo integrato la radianza spettrale misurata (Fig., 3C) sulla finestra da 8 a 14 µm per ottenere la radianza integrata totale emessa termicamente in funzione della temperatura, che ha mostrato l’effetto ZDTE desiderato all’interno di una finestra di temperatura di ∼30 °C centrata intorno a ∼120 °C (Fig. 3D). Lontano dal centro della transizione di fase di SmNiO3, cioè sotto ∼80 e sopra °140 ° C, il profilo di radianza-vs.-temperatura diventa monotonicamente crescente, come previsto per un tipico emettitore termico non termocromatico. Notiamo che l’effetto ZDTE è abbastanza robusto per diversi angoli di emissione (Appendice SI, sezione 7).,

La presenza della regione zero-differenziale ha profonde implicazioni per l’imaging a infrarossi e il controllo della visibilità a infrarossi. Per dimostrarlo, abbiamo eseguito un esperimento modello in cui due campioni—il nostro ZDTE e un wafer in zaffiro di riferimento—sono stati montati su un mandrino a temperatura controllata in modo tale che solo un angolo toccasse il mandrino e la maggior parte del campione fosse sospesa in aria, risultando in un gradiente di temperatura da ∼140 °C direttamente sopra il mandrino a ∼105 °C all’angolo dell’area sospesa., Quando viene ripreso con una telecamera a infrarossi a onde lunghe (LWIR), il gradiente è facilmente osservabile sul riferimento zaffiro (Fig. 1B) ma scompare quasi completamente sul nostro ZDTE basato su SmNiO3 (Fig. 1D). Si noti che il punto luminoso nella parte inferiore del campione ZDTE corrisponde a una regione senza SmNiO3 (cioè, è semplicemente zaffiro). Questa è l’area coperta dalla clip utilizzata per montare il campione nella camera di sputtering. La differenza di temperatura apparente tra i campioni in base all’immagine della fotocamera era ∼34 °C per lo zaffiro e 9 9 °C per lo ZDTE. Lo stesso fenomeno è osservato in Fig., 4, dove mostriamo l’evoluzione della temperatura dell’aspetto infrarosso degli ZDTES basati su SmNiO3 rispetto al nostro riferimento di corpo nero di laboratorio (foresta di nanotubi di carbonio) e wafer di zaffiro e silice fusa. Si noti che abbiamo analizzato numericamente la caduta di temperatura attraverso lo spessore del wafer di zaffiro (cioè, dallo stadio di calore alla superficie del campione) e abbiamo scoperto che è inferiore a 0,1 °C (Appendice SI, sezione 8).

Notiamo che la presenza di emissioni zero-differenziali non garantisce necessariamente firme infrarosse completamente indipendenti dalla temperatura. Ad esempio, lievi differenze possono ancora essere osservate nell’emissione dai nostri ZDTEs a 110 °C contro 140 °C in Fig., 4, risultante da una combinazione di effetti che includono l’annullamento imperfetto della curva del corpo nero e il cambiamento della luce riflessa dall’ambiente, poiché un cambiamento nell’emissività coincide con un cambiamento nella riflettanza. Quest’ultimo può essere compensato durante la progettazione di ZDTEs considerando sia la luce emessa che quella riflessa, assumendo una particolare temperatura di fondo.,

In conclusione, abbiamo dimostrato che la tipica relazione uno-a-uno tra temperatura e radiazione termica può essere recisa utilizzando rivestimenti ZDTE (zero-differential Thermal emitter) basati su SmNiO3, un materiale quantico dotato di una transizione isolante-metallo (IMT) a guida termica senza isteresi. L’intervallo di temperatura dell’effetto di emissione zero-differenziale può essere ampiamente regolato da deformazione, doping o controllo dell’inclinazione di SmNiO3, che può spostare l’intervallo di transizione a temperatura ambiente e anche al di sotto (15, 23⇓-25)., Ad esempio, le leghe di samario e nickelati al neodimio possono avere temperature IMT approssimativamente tra -100 °C e 100 °C a seconda della composizione specifica (26), il che può consentire la progettazione di ZDTE su un ampio intervallo di temperature (Appendice SI, sezione 9). La capacità di disaccoppiare la temperatura e la radiazione termica con il nostro design semplice consente approcci per nascondere le firme di calore su ampie aree, ad esempio per le tecnologie di privacy personali indossabili, e ha anche implicazioni per la gestione termica nello spazio., Più in generale, questa dimostrazione può motivare aree di indagine per materiali quantistici che possiedono strutture elettroniche altamente sintonizzabili.