Radiația termică independentă de temperatură

semnificație

înțelepciunea convențională afirmă că cu cât este mai fierbinte un obiect, cu atât strălucește mai luminos. Acesta este cazul luminii termice la orice lungime de undă și permite aplicații precum imagistica în infraroșu și termometria noncontact. Demonstrăm o acoperire care emite aceeași cantitate de radiație termică indiferent de temperatură, într—un interval de temperatură de aproximativ 30 °C. Acest lucru este realizat folosind oxid de nichel de samariu-un material cuantic care se schimbă puternic, dar treptat, în funcție de temperatură., Aceasta este prima dată când a fost demonstrată radiația termică independentă de temperatură și are implicații substanțiale pentru camuflajul în infraroșu, ecranarea confidențialității și transferul de căldură radiativ.

rezumat

emisia termică este procesul prin care toate obiectele la temperaturi diferite de zero emit lumină și este bine descris de legile Planck, Kirchhoff și Stefan–Boltzmann. Pentru majoritatea solidelor, puterea emisă termic crește monoton cu temperatura într-o relație unu-la-unu care permite aplicații precum imagistica în infraroșu și termometria fără contact., Aici, am demonstrat emițători termici ultrathini care încalcă această relație unu-la-unu prin utilizarea oxidului de nichel de samariu (SmNiO3), un material cuantic puternic corelat care suferă o tranziție de fază solidă complet reversibilă, condusă de temperatură. Natura netedă și fără Histerezis a acestei tranziții unice de fază izolator-metal ne-a permis să proiectăm dependența de temperatură a emisivității pentru a anula cu precizie profilul intrinsec al corpului negru descris de legea Stefan-Boltzmann, atât pentru încălzire, cât și pentru răcire., Design-ul nostru rezultatele de temperatură-independent din punct de vedere termic emis putere termen lung-val atmosferice transparență fereastră (lungimi de undă de la 8 la 14 µm), pe un domeniu larg de temperatură de ∼30 °C, centrat în jurul ∼120 °C. capacitatea De a se decupla de temperatură și de emisie termică deschide o poarta de acces pentru a controla vizibilitatea obiectelor de camere cu infraroșu și, în sens mai larg, oportunități pentru quantum materiale în controlul de transfer de căldură.,

iv xmlns:xhtml=”http://www.w3.org/1999/xhtml” > Fig. 1.

comparație între un emițător termic tipic și un emițător termic diferențial zero (ZDTE). (A și B) pentru un emițător tipic, de exemplu cuprinzând un semiconductor sau un izolator (diagrama benzii de desene animate din B, Top), orice modificare a emisiilor de la o modificare dependentă de temperatură a proprietăților materialelor este redusă de dependența T4 din Legea Stefan-Boltzmann., În schimb, un ZDTE decuplează temperatura și radiația termică într-un anumit interval de temperatură și astfel poate fi realizat numai folosind un material cu o dependență de temperatură foarte puternică. În implementarea noastră, vom folosi histerezis-gratuit izolator-metal de tranziție de fază în samariu nickelate (SmNiO3) pentru a realiza acest comportament (B, Jos). DOS, densitatea Statelor. (C și D) Imagini LWIR ale probelor montate pentru a atârna de marginea unei etape de încălzire, astfel încât un gradient de temperatură este stabilit de la cald la rece., (C) un eșantion de referință cu o emisivitate constantă—în acest caz, o placă de safir—și (D) un ZDTE bazat pe SmNiO3. Bara de culori codifică temperatura aparentă, obținută prin asumarea unei anumite emisivități setate, eset, care a fost aleasă astfel încât regiunea eșantionului chiar sub stadiul de căldură părea să fie la 130 °C, care este temperatura reală în acel moment (Vezi mai multe discuții în metode). Pentru safir, există o relație unu-la-unu între temperatură și puterea emisă termic. În schimb, ZDTE prezintă o putere emisă constantă pe o gamă de temperaturi, aici ∼100 până la 135 °C.,această ipoteză a unei emisivități aproape constante trebuie reexaminată pentru emițătorii termici cuprinzând materiale ale căror proprietăți optice pot fi acordabile pe scară largă cu temperatura (adică termocromice). De exemplu, o emisivitate care crește cu temperatura poate duce la emis de putere în creștere mai rapid decât T4 (6, 7), și o emisivitate care scade rapid cu temperatura poate copleși și invers panta tipic Stefan–Boltzmann curba (8, 9).,aici, vom arăta că este posibil să se realizeze o defalcare completă a cartografiere convenționale unu-la-unu între temperatura și puterea emisă termic, P. un strat de emisie termică cu această proprietate unică poate servi ca un radiator care emite o cantitate fixă de căldură, indiferent de temperatura sa și poate ascunde diferențele de temperatură peste un obiect de imagini în infraroșu. Această condiție poate fi scrisă ca ∂P / ∂T=0 și apare atunci când etot=yT−4, unde γ este o constantă cu unități de kelvin (4)., O suprafață cu etot care se potrivește acestei forme pe un anumit interval de temperatură este denumită de acum înainte ca un emițător termic diferențial zero (ZDTE). Realizarea ZDTE comportament, folosind materiale reale este extrem de provocatoare: rata necesară de schimbare de emisivitate cu temperatura este mult mai mare decât ceea ce poate fi atins folosind materiale convenționale (de exemplu, cu bandă semiconductoare, cum ar fi siliciu, prin intermediul dependente de temperatură populație de electroni în banda de conducție; Fig. 1B), dar este mai mică decât cea a materialelor cu tranziții bruște de fază (de exemplu, dioxid de vanadiu; refs. 8 și 10)., În plus, această condiție este posibilă numai pentru o dependență de temperatură fără Histerezis a emisivității; în caz contrar, condiția ZDTE poate fi îndeplinită numai în timpul încălzirii sau răcirii, dar nu ambele (discutate în continuare în apendicele SI, Secțiunea 1).,

Aici, vom demonstra ZDTE la 8 la 14 µm atmosferice transparență fereastră (11) folosind samariu oxid de nichel (SmNiO3), un corelat perovskit, care dispune de puternic încă relativ evoluție treptată a proprietăților sale optice în intervalul de temperatură de ∼40 la ∼140 °C, care rezultă dintr-un complet reversibile și histerezis-gratuit acționate termic izolator-metal de tranziție (IMT) (12⇓⇓⇓-16). IMT termic în SmNiO3 se datorează disproporției de încărcare în site–ul Ni și implică modificări subtile în unghiul de legătură Ni–o-Ni (12, 16)., În filmele (metodele) noastre SmNiO3, această tranziție acționată termic este reversibilă pe mai multe cicluri și nu are, în esență, histerezis în ambele electrice (Fig. 2a) și măsurători optice (Fig. 2B), în contrast puternic cu multe alte materiale cu IMT-uri puternice . Histerezis-gratuite IMTs pot fi găsite în pământuri rare nickelates cu fază de mare-temperatura de tranziție, în cazul în care neglijabil sau absența completă de histerezis poate fi din cauza decuplare a IMT cu antiferomagnetice comanda si mai repede de faza de transformare cinetica la temperaturi mai ridicate (18, 19)., Natura unică a acestei IMT este, de asemenea, observate direct în nostru spațial rezolvate X-ray spectroscopie de absorbție (XAS) hărți peste termică de tranziție , care demonstrează buna variație cu temperatura (de exemplu, lipsa de orice metalic/izolare domeniu textura la orice temperatură) în jos pentru a ∼20 nm lungime scară, inclusiv pentru temperaturi adânc în IMT; vezi și Metode SI Anexa, secțiunea 5 pentru detalii. Nu au fost observate alte caracteristici spațiale decât zgomotul detectorului., Tendința acestor hărți spațiale (inclusiv date suplimentare în apendicele SI, secțiunea 5) sugerează o trecere lină de la limita izolatoare la cea metalică, care este însoțită de un peisaj de fază omogen. Apendicele SI include date experimentale care arată stabilitatea pe mai multe cicluri (apendicele SI, Secțiunea 2) și măsurători de difracție cu raze X care ajută în continuare la explicarea comportamentului de tranziție (apendicele SI, secțiunea 3).

Pentru a permite proiectarea de emițători termice folosind SmNiO3, am efectuat cu temperatură variabilă dependentă-unghi spectroscopice ellipsometry peste 2 – 16 µm interval de lungimi de undă, prin întreaga gamă de tranziție de fază (Fig. 2 C și D)., Rezultate complex de refractie-indice de date sunt în concordanță cu filmul devenind treptat mai metalic la temperatura camerei pentru a ∼140 °C. observăm că în timp ce tranziții graduale sunt în general considerate a fi mai puțin util decât tranziții bruște de electronice și optice de comutare tehnologii, aici treptată și histerezis-free natura IMT în SmNiO3 este esențială pentru realizarea de ZDTEs.

Pentru a minimiza fabricatie complexitatea și costurile și de a realiza astfel de robust și de mare-zona ZDTEs, am explorat modele bazate pe unpatterned filme subtiri de SmNiO3., Am folosit proprietățile optice dependente de temperatură în Fig. 2 C și D și bine-stabilite optice thin-film calcule (20) pentru a găsi combinația necesară de grosimea unui SmNiO3 film și un substrat care acceptă SmNiO3 sinteza (Fig. Apendicele 3A și SI, Secțiunea 4) pentru a obține ZDTE pe fereastra de transparență atmosferică de 8 până la 14 µm. În Fig. 3A, am complotat temperatura calculată derivat al emisă integrat radiance pentru mai multe grosimi de SmNiO3 pe safir, ceea ce indică faptul că ZDTE poate fi realizat pentru SmNiO3 grosime de ∼150 nm sau mai mare., Rezultatul nu se schimba prea mult pentru SmNiO3 filme mai gros decât ∼250 nm, indicând faptul că proprietățile optice ale substratului nu afectează emisivitate, făcându-SmNiO3 un versatil de acoperire de suprafață care pot fi utilizate pentru scalabile tehnologii.

dispozitivul nostru planar fabricat constă dintr-o peliculă smnio3 de 220 nm cultivată pe un substrat de safir în plan c (Fig. 3 A, inserție; vezi metode pentru detalii), din care am măsurat emisivitatea și strălucirea spectrală emisă termic rezultată. Pentru că structura rezultată este opac în lungimea de undă nostru regiune de interes și plat pe scara de lungime de undă, lui Kirchhoff legea poate fi folosit pentru a calcula normal-direcția emisivitate ro(λ,T) de la normal-incidență, reflexie măsurători: ro(λ,T)=1−RN(λ,T) (vezi Metode pentru detalii)., Am confirmat acest rezultat prin măsurarea directă a emisiei termice, normalizând la un corp negru de laborator format dintr-o pădure de nanotuburi de carbon de 0,1 mm înălțime orientată vertical (metode). S-a avut grijă să se izoleze emisia termică a eșantionului de fundalul termic radiat de diferitele componente ale instrumentului nostru (22) (apendicele SI, secțiunea 6). Rezultatele obținute din aceste două măsurători sunt în acord excelent (Fig. 3b).am integrat radianța spectrală măsurată (Fig., 3C) pe fereastra de 8 până la 14 µm pentru a obține strălucirea integrată totală emisă termic în funcție de temperatură, care a arătat efectul ZDTE dorit într-o fereastră de temperatură ∼30 °C centrată în jurul lui ∼120 °C (Fig. 3d). Departe de centrul de tranziție de fază de SmNiO3, care este, de mai jos ∼80 și mai sus ∼140 °C, strălucirea-vs-profilul de temperatură devine monoton crescătoare, cum era de așteptat pentru un tipic nonthermochromic termică emițător. Observăm că efectul ZDTE este destul de robust pentru diferite unghiuri de emisie (anexa SI, Secțiunea 7).,prezența regiunii diferențiale zero are implicații profunde pentru imagistica în infraroșu și controlul vizibilității în infraroșu. Pentru a demonstra acest lucru, am realizat un model de experiment în care două probe nostru ZDTE și o referință safir napolitana—au fost montate pe o temperatură controlată chuck astfel că numai un colț a fost atingerea chuck și cele mai multe dintre eșantionul a fost suspendată în aer, rezultând într-un gradient de temperatură de la ∼140 °C direct pe chuck să ∼105 °C la colțul suspendat zona., Atunci când este fotografiat cu o cameră cu infraroșu cu undă lungă (lwir), gradientul este ușor observabil pe referința sapphire (Fig. 1B) dar dispare aproape complet pe ZDTE-ul nostru bazat pe SmNiO3 (Fig. 1D). Rețineți că punctul luminos din partea de jos a eșantionului ZDTE corespunde unei regiuni fără SmNiO3 (adică este pur și simplu safir). Aceasta este zona acoperită de clema utilizată pentru montarea probei în camera de pulverizare. Diferența aparentă de temperatură între eșantioane bazată pe imaginea camerei a fost ∼34 °C pentru safir și ∼9 °C pentru ZDTE. Același fenomen este observat în Fig., 4, unde arătăm evoluția temperaturii aspectului infraroșu al Zdtes pe bază de SmNiO3 în comparație cu referința noastră de laborator blackbody (nanotub de carbon forest) și sapphire și plachete de silice topită. Rețineți că am analizat numeric scăderea temperaturii pe toată grosimea plăcii de safir (adică de la stadiul de căldură la suprafața probei) și am constatat că este mai mică de 0,1 °C (apendicele SI, secțiunea 8).

observăm că prezența emisiei diferențiale zero nu garantează neapărat semnături infraroșii complet independente de temperatură. De exemplu, pot fi observate mici diferențe în emisia de la ZDTEs la 110 °C față de 140 °C în Fig., 4, care rezultă dintr-o combinație de efecte care includ anularea imperfectă a curbei corpului negru și schimbarea luminii reflectate din mediu, deoarece o schimbare a emisivității coincide cu o schimbare a reflexiei. Acestea din urmă pot fi compensate în timpul proiectării ZDTEs, luând în considerare atât lumina emisă, cât și cea reflectată, presupunând o anumită temperatură de fundal.,

În concluzie, am demonstrat că, de obicei, unu-la-unu relația între temperatură și radiații termice pot fi tăiate folosind zero termică diferențială emițător (ZDTE) acoperiri pe baza de SmNiO3, un cuantic material cu un histerezis-gratuit acționate termic izolator-metal de tranziție (IMT). Intervalul de temperatură de la zero-diferențial de emisie de efect poate fi pe larg acordat de tulpina, doping, sau înclinare de control de SmNiO3, care poate schimba gamă de tranziție la temperatura camerei și chiar mai jos (15, 23⇓-25)., De exemplu, aliaje de samariu și neodim nickelates poate avea IMT temperaturi aproximativ între -100 °C și 100 °C, în funcție de compoziția specifică (26), ceea ce poate permite ZDTE design pe o gamă largă de temperaturi (SI Anexa, secțiunea 9). Capacitatea de a decupla temperatura și radiația termică cu designul nostru simplu permite abordări pentru a ascunde semnăturile de căldură pe suprafețe mari, de exemplu pentru tehnologiile de confidențialitate personale purtabile și are, de asemenea, implicații pentru gestionarea termică în spațiu., Mai pe larg, această demonstrație poate motiva domenii de anchetă pentru materiale cuantice care posedă structuri electronice foarte acordabile.