Temperatur-uavhengig termisk stråling

• termisk stråling
• termisk stråling
• faseovergang
• quantum-materiell
• overføre varme

Den totale mengden av termisk kraft som slippes ut av en overflate i fritt rom kan oppnås ved å integrere sine spektral utstråling—gitt ved plancks lov og en emissivity—over alle bølgelengder og halvkuleformet vinkler (1, 2)., Forutsatt ubetydelig vinklet avhengighet av emissivity og innpakning vinklet integrert i blackbody distribusjon, IBB(λ,T), dette forholdet kan uttrykkes asA∫λdλ ε(λ,T)IBB(λ,T)=Aetot(T)σT4,der A er arealet, ε(λ,T) er den spektrale emissivity, λ er gratis-plass bølgelengde, T er temperatur, og σ er Stefan–Boltzmann konstant., Den totale emissivity, etot(T), kan ha en gradvis temperatur avhengighet, selv om de spektrale emissivity har ingen slik avhengighet på grunn av integrering av ε(λ)IBB(λ,T) (3); likevel, denne avhengigheten er vanligvis overskygget av T4 sikt, og så etot kan ofte anses for å være tilnærmet konstant. Dermed er Stefan–Boltzmann loven gir en en-til-en mapping mellom temperaturen til et objekt og den slippes ut kraft, noe som resulterer i den konvensjonelle visdommen at varmere objekter avgir mer lys (Fig. 1 A og C) og aktivere programmer, for eksempel infrarød, bildebehandling og noncontact thermometry (4, 5).,

Denne antakelsen av en nesten konstant emissivity må være reexamined for termisk emittere som består av materialer som optiske egenskaper kan bli mye justerbare med temperatur (dvs., thermochromics). For eksempel, en emissivity som øker med temperatur kan resultere i utstrålt effekt vokser raskere enn T4 (6, 7), og en emissivity som raskt synker med temperaturen kan overvelde og omvendt skråningen av de typiske Stefan–Boltzmann-kurve (8, 9).,

Her viser vi at det er mulig å oppnå en fullstendig oversikt over det vanlige en-til-en mapping mellom temperatur og termisk slippes ut kraft, P. Et termisk-utslipp belegg med denne unike eiendommen kan tjene som en radiator som sender ut et fast beløp på varme uavhengig av temperatur og kan skjule forskjeller i temperatur over et objekt fra infrarød imagers. Denne tilstanden kan skrives som ∂P/∂T=0, og oppstår når etot=yT−4, der γ er en konstant med enheter av kelvin (4)., En overflate med etot som passer i dette skjemaet over noen temperaturen er heretter referert til som en null-differensial-termisk emitter (ZDTE). For å oppnå ZDTE atferd ved hjelp av ekte materialer som er svært utfordrende: Det nødvendig endring av emissivity med temperaturen er mye større enn hva som kan oppnås ved bruk av konvensjonelle materialer (f.eks., med band halvledere som silisium, via temperaturen avhenger av befolkningen av elektroner i ledende band; Fig. 1B), men er mindre enn materialer med brå fase overganger (for eksempel, vanadium karbondioksid; refs. 8 og 10)., Videre, denne tilstanden er bare mulig for en hysterese-gratis temperatur avhengighet av emissivity; ellers ZDTE tilstanden kan bare være fornøyd enten under oppvarming eller kjøling, men ikke begge deler (nærmere omtalt i SI Vedlegg, del 1).,

Her, viser vi ZDTE i 8 – til 14-mikrometer atmosfæriske åpenhet-vinduet (11) ved hjelp av samarium nikkel nitrogenoksid (SmNiO3), en korrelert perovskite som har sterke ennå relativt gradvis utvikling av de optiske egenskapene over temperaturområdet ∼40 til ∼140 °C, som følge av et fullt reversible og hysterese-gratis termisk drevet isolator-til-metall-overgang (IMT) (12⇓⇓⇓-16). Den termiske IMT i SmNiO3 er grunn til å lade disproportionation i Ni-området, og innebærer små endringer i Ni–O–Ni bond vinkel (12, 16)., I vår SmNiO3 filmer (Metoder), dette termisk drevet overgangen er reversibel over mange sykluser og har egentlig ingen hysterese i både elektrisk (Fig. 2A) og optiske målinger (Fig. 2B), i sterk kontrast til mange andre materialer med sterk IMTs . Hysterese-gratis IMTs kan bli funnet i rare-earth nickelates med høy fase-overgang temperaturer, hvor ubetydelig eller fullstendig fravær av hysterese kan være grunn til isolering av IMT med antiferromagnetic bestilling og raskere fase-transformasjon kinetikk ved høyere temperaturer (18, 19)., Den unike naturen i dette IMT er også direkte observert i vår romlig løst X-ray absorption spectroscopy (XAS) kart over termisk overgangen , noe som viser jevn variasjon med temperaturen (dvs., fravær av enhver metallic/isolerende domene tekstur på en hvilken som helst temperatur) ned til en ∼20-nm lengde skala, blant annet for temperaturer dypt inne i den IMT; se Metoder og SI Vedlegg, kapittel 5 for detaljer. Ingen romlig har andre enn detektor støy ble observert., Trenden i disse romlige maps (inkludert ekstra data i SI Vedlegg, kapittel 5) tyder på en jevn cross-over fra den isolerende grense for metallic en, som er ledsaget av en homogen fase landskapet. SI Vedlegget inneholder eksperimentelle data som viser stabilitet over mange sykluser (SI Vedlegg, kapittel 2) og røntgen-diffraksjon målinger som ytterligere bidra til å forklare overgangen atferd (SI Vedlegg, del 3).

for Å aktivere design av termisk slipper ut ved hjelp av SmNiO3, har vi utført temperatur-avhengig variabel vinkel spektroskopiske ellipsometry over 2 til 16 µm bølgelengdeområdet, gjennom hele spekteret av faseovergang (Fig. 2 C og D)., Den resulterende komplekse refractive-indeks dataene er i samsvar med film blir gradvis mer metallic fra romtemperatur til ∼140 °C. Vi oppmerksom på at selv om gradvise overganger er generelt ansett for å være mindre nyttig enn brå overganger for elektronisk og optisk svitsjing teknologier, her gradvis og hysterese-frie natur for IMT i SmNiO3 er avgjørende for realisering av ZDTEs.

for Å minimere fabrikasjon kompleksitet og kostnad, og dermed realisere robust og stor-området ZDTEs, vi utforsket design basert på unpatterned tynne filmer av SmNiO3., Vi brukte temperatur-avhengige optiske egenskaper i Fig. 2 C og D og godt etablert optisk tynn-film beregninger (20) for å finne den nødvendige kombinasjonen av tykkelsen av et SmNiO3 film og et substrat som støtter SmNiO3 syntese (Fig. 3A og SI Vedlegg, kapittel 4) for å oppnå ZDTE over 8 – 14-mikrometer atmosfæriske åpenhet vinduet. I Fig. 3A, vi plottet den beregnede temperatur derivat av det som slippes ut integrert utstråling for flere tykkelser av SmNiO3 på safir, noe som indikerer at ZDTE kan oppnås for SmNiO3 tykkelse av ∼150 nm eller større., Resultatet endres ikke mye for SmNiO3 filmer tykkere enn ∼250 nm, noe som indikerer at de optiske egenskapene til underlaget påvirker ikke emissivity, noe som gjør SmNiO3 en allsidig belegg som kan benyttes for skalerbare teknologier.

Vår fremstille plan enheten består av en ∼220-nm SmNiO3 film vokst på en c-fly safir substrat (Fig. 3 A, Innfelt, se Metoder for detaljer), som vi målte emissivity og den resulterende termisk slippes ut spektral utstråling. Fordi den resulterende strukturen er ugjennomsiktig i vår bølgelengde regionen av interesse og flatskjerm på omfanget av bølgelengden, Kirchhoff ‘ s lov kan brukes til å beregne normal-retning emissivity no(λ,T) fra normal-forekomsten refleksjon målinger: no(λ,T)=1−RN(λ,T) (se Metoder for detaljer)., Vi bekreftet dette resultatet av måling av termisk stråling direkte, normalisering til et laboratorium blackbody som består av et vertikalt orientert 0.1-mm-tall karbon nanotube skog (Metoder). Omsorg ble tatt for å isolere eksempel termisk utslipp fra termisk bakgrunn utstrålte av de ulike komponentene av våre instrument (22) (SI, Vedlegg, kapittel 6). Resultatene fra disse to målene er i utmerket avtale (Fig. 3B).

Vi integrert den målte spektral utstråling (Fig., 3C) over 8 – 14-mikrometer vindu for å oppnå total termisk slippes ut integrert utstråling som en funksjon av temperatur, som viste ønsket ZDTE effekt innenfor en ∼30 °C temperatur-vinduet sentrert rundt ∼120 °C (Fig. 3D). Bort fra sentrum av faseovergang av SmNiO3, som er under ∼80 og over ∼140 °C, radiance-vs-temperatur profilen blir monotons aukande, som forventet for en typisk nonthermochromic termisk stråler. Vi merk at ZDTE effekten er ganske robust for ulike vinkler av utslipp (SI Vedlegg, kapittel 7).,

tilstedeværelsen av null-differensial-regionen har dyptgripende implikasjoner for infrarøde bilder og kontroll av infrarød synlighet. For å demonstrere dette, har vi utført en modell eksperiment hvor to prøver—vår ZDTE og en referanse safir wafer—var montert på en temperatur-kontrollerte chuck slik at bare et hjørne var rørende chuck og de fleste av prøven ble suspendert i luften, noe som resulterer i en temperaturgradient fra ∼140 °C direkte på toppen av chuck til å ∼105 °C på hjørnet av suspendert området., Når avbildes med en lang bølge infrarød (LWIR) kameraet, gradient er lett observerbare på safir referanse (Fig. 1B), men nesten forsvinner helt på vår SmNiO3-basert ZDTE (Fig. 1D). Vær oppmerksom på at den lyse flekk på undersiden av ZDTE eksempel tilsvarer et område med ingen SmNiO3 (dvs., det er rett og slett safir). Dette er området som dekkes av klippet brukes til å montere eksempel i sputtering kammeret. Den tilsynelatende temperatur forskjell på tvers av prøvene basert på kameraet bildet som ble ∼34 °C for safir og ∼9 °C for ZDTE. Det samme fenomenet er observert i Fig., 4, hvor vi viser temperaturen utviklingen av den infrarøde utseende av SmNiO3-basert ZDTEs i forhold til vårt laboratorium blackbody referanse (carbon nanotube skog) og safir og smeltet silisium wafere. Vær oppmerksom på at vi numerisk analysert temperaturen falle over tykkelsen av safir wafer (dvs., fra den varme fasen til overflaten av prøven) og funnet at det er mindre enn 0,1 °C (SI Bilag, avsnitt 8.).

Vi oppmerksom på at tilstedeværelsen av null-differensial-utslipp ikke nødvendigvis garanterer en fullstendig temperatur-uavhengig infrarød signaturer. For eksempel, små forskjeller kan likevel være observert i utslipp fra våre ZDTEs på 110 °C vs 140 °C i Fig., 4, som følge av en kombinasjon av effekter, som inkluderer ufullkomne kansellering av blackbody kurve og endring av reflektert lys fra omgivelsene, siden en endring i emissivity faller sammen med en endring i refleksjon. Den siste kan bli kompensert under utformingen av ZDTEs ved å ta i betraktning både de slippes ut og reflektert lys, forutsatt at en bestemt bakgrunn temperatur.,

I konklusjonen, viste vi at det typisk en-til-en forhold mellom temperatur og termisk stråling kan skilles ved hjelp av null-differensial-termisk emitter (ZDTE) belegg basert på SmNiO3, en quantum materiale med en hysterese-gratis termisk drevet isolator-til-metall-overgang (IMT). Temperaturområdet for null-differensial-utslipp effekt kan bli mye trimmet av belastning, doping, eller tilt kontroll av SmNiO3, som kan forskyve overgang utvalg til romtemperatur og selv under (15, 23⇓-25)., For eksempel, legeringer av samarium og neodymium nickelates kan ha IMT temperaturer omtrent mellom -100 °C og 100 °C avhengig av den spesifikke sammensetningen (26), som kan gjøre det mulig å ZDTE design over et bredt spekter av temperaturer (SI Vedlegg, kapittel 9). Evnen til å skille temperatur og termisk stråling med vårt enkle design gjør det mulig tilnærminger til å skjule varme signaturer over store områder, for eksempel for bærbare personvern teknologier, og har også implikasjoner for termisk behandling i verdensrommet., Mer generelt, denne demonstrasjonen kan motivere områder av undersøkelser for quantum materialer som er i besittelse av svært justerbare elektronisk strukturer.