Temperatuur-onafhankelijke thermische straling

• thermische straling
• thermische emissie
• faseovergang
• quantummaterialen
• warmteoverdracht

de totale hoeveelheid thermisch uitgestraald vermogen door een oppervlak in de vrije ruimte kan worden verkregen door de spectrale straling—gegeven door Planck ‘ s wet en een emissiviteit—over alle golflengten en hemisferische hoeken (1, 2) te integreren., Uitgaande van een verwaarloosbare hoekafhankelijkheid van de emissiviteit en het wikkelen van de hoekintegraal in de zwartlichaamsverdeling, IBB(λ,T), kan deze relatie worden uitgedrukt als Asa λ λdλ ε(λ,T)IBB(λ,t)=Aetot(t)σT4,waar A het oppervlak is, ε(λ,T) de spectrale emissiviteit is, λ de golflengte in de vrije ruimte is, T de temperatuur is, en σ de constante van Stefan-Boltzmann is., De totale emissiviteit, etot (T), kan een geleidelijke temperatuurafhankelijkheid hebben, zelfs als de spectrale emissiviteit niet een dergelijke afhankelijkheid heeft door de integratie van ε(λ) IBB(λ, T) (3); niettemin wordt deze afhankelijkheid meestal kleiner door de T4-term, en dus kan etot vaak als ongeveer constant worden beschouwd. Zo levert de wet van Stefan–Boltzmann een één-op-één afbeelding op tussen de temperatuur van een object en de uitgestraalde kracht, wat resulteert in de conventionele wijsheid dat hetere objecten meer licht uitstralen (Fig. 1 A en C) en het mogelijk maken van toepassingen zoals infrarood beeldvorming en contactloze thermometrie (4, 5).,

deze aanname van een bijna constante emissiviteit moet opnieuw worden onderzocht voor thermische stralers die materialen bevatten waarvan de optische eigenschappen op grote schaal met de temperatuur kunnen worden afgestemd (d.w.z. thermochromica). Een emissiviteit die toeneemt met de temperatuur kan er bijvoorbeeld toe leiden dat het uitgestoten vermogen sneller groeit dan T4 (6, 7), en een emissiviteit die snel afneemt met de temperatuur kan de helling van de typische Stefan–Boltzmann-curve (8, 9) overweldigen en omkeren.,

Hier laten we zien dat het mogelijk is om een volledige afbraak te bereiken van de conventionele één-op-één afbeelding tussen de temperatuur en het thermisch uitgestraalde vermogen, P. een thermische emissiecoating met deze unieke eigenschap kan dienen als een radiator die een vaste hoeveelheid warmte afgeeft ongeacht de temperatuur en temperatuurverschillen tussen een object van infraroodcamera ‘ s kan verbergen. Deze voorwaarde kan worden geschreven als ∂P/∂T = 0 en treedt op als etot = yT-4, waar γ een constante is met eenheden van kelvin (4)., Een oppervlak met etot dat in deze vorm past over een bepaald temperatuurbereik wordt voortaan aangeduid als een zero-differential thermal emitter (ZDTE). Het bereiken van ZDTE gedrag met behulp van echte materialen is zeer uitdagend: de noodzakelijke snelheid van verandering van de emissiviteit met temperatuur is veel groter dan wat kan worden bereikt met behulp van conventionele materialen (bijvoorbeeld met band halfgeleiders zoals silicium, via de temperatuurafhankelijke populatie van elektronen in de geleidingsband; Fig. 1B) maar is kleiner dan die van materialen met abrupte faseovergangen (bijvoorbeeld vanadiumdioxide; refs. 8 en 10)., Bovendien is deze voorwaarde alleen mogelijk voor een hysteresis-vrije temperatuurafhankelijkheid van de emissiviteit; anders kan alleen aan de zdte-voorwaarde worden voldaan tijdens verwarming of koeling, maar niet beide (verder besproken in SI aanhangsel, paragraaf 1).,

hier demonstreren we ZDTE in het 8-tot 14-µm atmosferische transparantievenster (11) met behulp van samarium-nikkeloxide (SmNiO3), een gecorreleerde perovskiet met een sterke maar relatief geleidelijke evolutie van zijn optische eigenschappen over het temperatuurbereik van 40 40 tot 140 140 °C, als gevolg van een volledig omkeerbare en hysteresis-vrije thermisch aangedreven isolator-metaal overgang (IMT) (12 ⇓ ⇓ ⇓ -16). De thermische IMT in SmNiO3 is toe te schrijven aan ladingsproportionatie in de ni–plaats en impliceert subtiele veranderingen in de ni–O-Ni bindingshoek (12, 16)., In onze SmNiO3 films (methoden) is deze thermisch aangedreven overgang omkeerbaar over vele cycli en heeft in wezen geen hysterese in beide elektrische (Fig. 2A) en optische metingen (Fig. 2B), in schril contrast met veel andere materialen met sterke IMTs . Hysteresis-vrije IMT ‘ s kunnen worden gevonden in zeldzame aardnikkelaten met hoge faseovergangstemperaturen, waarbij verwaarloosbare of volledige afwezigheid van hysterese kan worden veroorzaakt door de ontkoppeling van de IMT met antiferromagnetische ordening en snellere fasetransformatiekinetiek bij hogere temperaturen (18, 19)., De unieke aard van deze IMT wordt ook direct waargenomen in onze ruimtelijk opgeloste X-ray absorptie spectroscopie (XAS) kaarten over de thermische overgang , die gladde variatie met temperatuur (dat wil zeggen, de afwezigheid van een metalen/isolerende domein textuur bij elke temperatuur) tot een ∼20-nm lengte schaal, met inbegrip van voor temperaturen diep binnen de IMT; zie methoden en SI Appendix, sectie 5 voor details. Er werden geen andere ruimtelijke kenmerken dan detectorruis waargenomen., De trend in deze ruimtelijke kaarten (inclusief aanvullende gegevens in Si bijlage, deel 5) suggereert een soepele overgang van de isolerende limiet naar de metalen, die gepaard gaat met een homogeen fasenlandschap. De si Appendix bevat experimentele gegevens die stabiliteit tonen over vele cycli (SI Appendix, sectie 2) en X-ray diffractie metingen die verder helpen verklaren de overgang gedrag (SI Appendix, sectie 3).

om het ontwerp van thermische stralers met SmNiO3 mogelijk te maken, hebben we temperatuurafhankelijke spectroscopische ellipsometrie met variabele hoek uitgevoerd over het golflengtebereik van 2 tot 16 µm, over het gehele gebied van de faseovergang (Fig. 2 C en D)., De resulterende complexe brekingsindexgegevens zijn consistent met het feit dat de film geleidelijk metallischer wordt van kamertemperatuur tot ∼140 °C. Hoewel geleidelijke overgangen over het algemeen minder nuttig worden geacht dan abrupte overgangen voor elektronische en optische schakeltechnologieën, is hier de geleidelijke en hysteresisvrije aard van de IMT in SmNiO3 essentieel voor de realisatie van Zdte ‘ s.

om de complexiteit en de kosten van de fabricage te minimaliseren en zo robuuste en grote oppervlakte Zdte ‘ s te realiseren, hebben we ontwerpen onderzocht die gebaseerd zijn op niet-gepatenteerde dunne films van SmNiO3., We gebruikten de temperatuurafhankelijke optische eigenschappen in Fig. 2 C en D en gevestigde optische dunne-film berekeningen (20) om de noodzakelijke combinatie van dikte van een SmNiO3 film en een substraat dat SmNiO3 synthese ondersteunt te vinden (Fig. 3A en SI Appendix, sectie 4) om ZDTE te bereiken over het atmosferische transparantievenster van 8 tot 14 µm. In Fig. 3A, hebben we het berekende temperatuurderivaat van de uitgezonden geïntegreerde straling uitgezet voor verschillende diktes van SmNiO3 op saffier, wat aangeeft dat ZDTE kan worden bereikt voor smnio3-dikte van ∼150 nm of groter., Het resultaat verandert niet veel voor SmNiO3 films dikker dan ∼250 nm, wat aangeeft dat de optische eigenschappen van het substraat geen invloed hebben op de emissiviteit, waardoor SmNiO3 een veelzijdige oppervlaktecoating is die kan worden gebruikt voor schaalbare technologieën.

onze gefabriceerde vlakke inrichting bestaat uit een SM 220 nm SmNiO3-film geteeld op een c-vlak saffier substraat (Fig. 3 A, inzet; zie methoden voor details), waaruit we de emissiviteit en de resulterende thermisch uitgestraalde spectrale straling hebben gemeten. Omdat de resulterende structuur ondoorzichtig is in ons golflengtegebied van belang en vlak is op de schaal van de golflengte, kan de wet van Kirchhoff worden gebruikt om de emissiviteit in normale richting eN(λ,T) te berekenen uit metingen van de reflectie van de normale incidentie: eN(λ,T)=1-RN(λ,T) (zie methoden voor details)., We bevestigden dit resultaat door de thermische emissie direct te meten en te normaliseren naar een laboratorium blackbody bestaande uit een verticaal georiënteerd 0,1 mm hoog koolstof nanobuis bos (methoden). Er werd voor gezorgd dat de thermische emissie van het monster werd geïsoleerd van de thermische achtergrond die door de verschillende componenten van ons instrument wordt uitgestraald (22) (SI bijlage, paragraaf 6). De resultaten van deze twee metingen zijn in uitstekende overeenstemming (Fig. 3B).

we hebben de gemeten spectrale straling geïntegreerd (Fig., 3C) over het 8-tot 14-µm-venster om de totale thermisch uitgezonden geïntegreerde straling te verkrijgen als functie van de temperatuur, die het gewenste zdte-effect toonde binnen een temperatuurvenster van ∼30 °C gecentreerd rond 120 120 °C (Fig. 3D). Weg van het centrum van de faseovergang van SmNiO3, dat wil zeggen, onder 80 80 en boven 140 140 °C, wordt het radiance-vs.-temperatuurprofiel monotonisch toeneemt, zoals verwacht voor een typische niet-thermochrome thermische straler. We merken op dat het ZDTE-effect vrij robuust is voor verschillende emissiehoeken (SI Appendix, paragraaf 7).,

de aanwezigheid van het nulverschilgebied heeft ingrijpende gevolgen voor infraroodbeelden en de controle van infraroodzicht. Om dit aan te tonen, voerden we een modelexperiment uit waarbij twee monsters—onze ZDTE en een referentiesapphire wafer—op een temperatuurgeregelde chuck werden gemonteerd, zodat slechts een hoek de chuck raakte en het grootste deel van het monster in de lucht werd opgehangen, wat resulteerde in een temperatuurgradiënt van ∼140 °C direct bovenop de chuck tot 105 105 °C in de hoek van het hangende gebied., Wanneer afgebeeld met een lange-golf infrarood (LWIR) camera, is de gradiënt gemakkelijk waarneembaar op de saffier referentie (Fig. 1B) maar verdwijnt bijna volledig op onze op SmNiO3 gebaseerde ZDTE (Fig. 1D). Merk op dat de lichte vlek aan de onderkant van het zdte-Monster overeenkomt met een gebied zonder SmNiO3 (dat wil zeggen, het is gewoon saffier). Dit is het oppervlak van de clip waarmee het monster in de sputterkamer is gemonteerd. Het schijnbare temperatuurverschil tussen de monsters op basis van het camerabeeld was ∼34 °C voor de saffier en ∼9 °C voor de ZDTE. Hetzelfde fenomeen wordt waargenomen in Fig., 4, waar we de temperatuur evolutie van de infrarode verschijning van SmNiO3-gebaseerde ZDTEs in vergelijking met onze laboratorium blackbody referentie (koolstof nanotube bos) en saffier en gesmolten-silica wafers tonen. Merk op dat we numeriek geanalyseerd de temperatuur daling over de dikte van de saffier wafer (dat wil zeggen, van de warmte fase aan het oppervlak van het monster) en vond dat het minder dan 0,1 °C (SI Appendix, sectie 8).

we merken op dat de aanwezigheid van Zero-differential emission niet noodzakelijk volledig temperatuur-onafhankelijke infraroodsignaturen garandeert. Zo kunnen er nog kleine verschillen worden waargenomen in de emissie van onze Zdte ‘ s bij 110 °C Versus 140 °C in Fig., 4, als gevolg van een combinatie van effecten die imperfecte cancelation van de blackbody curve en de verandering van het gereflecteerde licht uit de omgeving omvatten, aangezien een verandering in emissiviteit samenvalt met een verandering in reflectie. Dit laatste kan tijdens het ontwerp van Zdte ‘ s worden gecompenseerd door zowel het uitgestraalde als het gereflecteerde licht in aanmerking te nemen, uitgaande van een bepaalde achtergrondtemperatuur.,tot slot hebben we aangetoond dat de typische een-op-een relatie tussen temperatuur en warmtestraling kan worden verbroken met zdte-coatings gebaseerd op SmNiO3, een kwantummateriaal met een hysteresis-vrije thermisch aangedreven isolator-metaalovergang (IMT). Het temperatuurbereik van het zero-differential emission effect kan op grote schaal worden afgesteld door spanning, doping of kantelregeling van SmNiO3, die het overgangsbereik kan verschuiven naar kamertemperatuur en zelfs lager (15, 23⇓-25)., Legeringen van samarium – en neodymium-nickelaten kunnen bijvoorbeeld een IMT-temperatuur hebben van ongeveer -100 °C tot 100 °C, afhankelijk van de specifieke samenstelling (26), waardoor zdte-ontwerp over een breed temperatuurbereik mogelijk kan zijn (SI Appendix, Sectie 9). De mogelijkheid om temperatuur en warmtestraling te ontkoppelen met ons eenvoudige ontwerp maakt het mogelijk om warmtesignaturen over grote oppervlakken te verbergen, bijvoorbeeld voor draagbare technologieën voor persoonlijke privacy, en heeft ook gevolgen voor thermisch beheer in de ruimte., Meer in het algemeen kan deze demonstratie gebieden van onderzoek motiveren voor kwantum materialen die zeer afstembare elektronische structuren bezitten.