Temperatur-oberoende termisk strålning

• termisk strålning
• värmeutsläpp
• fasövergång
• kvantmaterial
• värmeöverföring

den totala mängden värme som avges av en yta i fritt utrymme kan erhållas genom att integrera dess spektrala strålning-ges av Plancks lag och en emissivitet—över alla våglängder och halvsfäriska vinklar (1, 2)., Om man antar försumbar vinkelberoende av emissiviteten och omsluter vinkelintegret i svartkroppsfördelningen, Ibb(λ,T), kan detta förhållande uttryckas som Asa λdλ ε(λ,t)IBB(λ,T)=Aetot(T)σT4,där A är ytarean, ε (λ,T) är spektral emissivitet, λ är fri-rymdvåglängden, T är temperaturen och σ är Stefan–Boltzmann-konstanten., Den totala emissiviteten, etot(T), kan ha ett gradvis temperaturberoende även om spektral emissiviteten inte har något sådant beroende på integrationen av ε(λ)IBB (λ,T) (3); ändå är detta beroende vanligtvis dvärgat av T4-termen, och så etot kan ofta anses vara ungefär konstant. Således ger Stefan-Boltzmann-lagen en-till-en-kartläggning mellan temperaturen hos ett objekt och den emitterade kraften, vilket resulterar i den konventionella visdomen att varmare föremål avger mer ljus (Fig. 1 A och C) och aktivera applikationer såsom infraröd bildbehandling och ickekontakttermometri (4, 5).,

detta antagande om en nästan konstant emissivitet måste omprövas för termiska emittrar innefattande material vars optiska egenskaper kan vara allmänt avstämbara med temperatur (dvs termokromik). Till exempel kan en emissivitet som ökar med temperaturen leda till att emitterad kraft växer snabbare än T4 (6, 7), och en emissivitet som snabbt minskar med temperaturen kan överväldiga och vända lutningen på den typiska Stefan–Boltzmann-kurvan (8, 9).,

här visar vi att det är möjligt att uppnå en fullständig uppdelning av den konventionella en-till-en-kartläggningen mellan temperaturen och den termiskt emitterade effekten, P. en termisk emissionsbeläggning med denna unika egenskap kan fungera som en radiator som matar ut en fast mängd värme oavsett temperatur och kan dölja temperaturskillnader över ett objekt från infraröda bilder. Detta tillstånd kan skrivas som t=0 och inträffar när etot=yt-4, där γ är en konstant med enheter av kelvin (4)., En yta med etot som passar denna form över ett visst temperaturområde kallas hädanefter som en nolldifferentiell termisk emitter (ZDTE). Att uppnå zdte-beteende med hjälp av verkliga material är extremt utmanande: den nödvändiga förändringen av emissiviteten med temperatur är mycket större än vad som kan uppnås med konventionella material (t. ex. med bandhalvledare som kisel, via den temperaturberoende populationen av elektroner i ledningsbandet; Fig. 1B) men är mindre än för material med abrupta fasövergångar (t.ex. vanadindioxid; refs. 8 och 10)., Dessutom är detta villkor endast möjligt för ett hysteresfritt temperaturberoende av emissiviteten; annars kan ZDTE-villkoret endast vara uppfyllt under antingen uppvärmning eller kylning, men inte båda (diskuteras vidare i Si-tillägget, avsnitt 1).,

Här visar vi ZDTE i 8 till 14 µm atmosfäriska öppenhet fönster (11) med hjälp av samarium nickeloxid (SmNiO3), en korrelerad perovskite som har stark men ändå relativt gradvisa utvecklingen av dess optiska egenskaper över temperaturområdet ∼40 ∼140 °C, vilket resulterar från en helt reversibel och hysteres-gratis termiskt driven isolator-mot-metall-övergången (IMT) (12⇓⇓⇓-16). Den termiska IMT i SmNiO3 beror på att ladda oproportionering i Ni-platsen och innebär subtila förändringar i ni–o–Ni-bindningsvinkeln (12, 16)., I våra SmNiO3-filmer (metoder) är denna termiskt drivna övergång reversibel under många cykler och har i huvudsak ingen Hysteres i både elektriska (Fig. 2a) och optiska mätningar (Fig. 2B), i skarp kontrast till många andra material med starka IMTs . Hysteresfria IMTs finns i sällsynta jordartsmetaller med höga fasövergångstemperaturer, där försumbar eller fullständig frånvaro av Hysteres kan bero på frikoppling av IMT med antiferromagnetisk beställning och snabbare fasomvandlingskinetik vid högre temperaturer (18, 19)., Den unika karaktären hos denna IMT observeras också direkt i våra rumsligt lösta röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) kartor över den termiska övergången, som visar jämn variation med temperatur (dvs frånvaron av någon metallisk/isolerande domänstruktur vid vilken temperatur som helst) ner till en längd av 20 nm, inklusive för temperaturer djupt inom IMT; se metoder och Si-bilaga, avsnitt 5 för detaljer. Inga andra rumsliga egenskaper än detektorbrus observerades., Trenden i dessa rumsliga kartor (inklusive ytterligare data i Si-bilagan, avsnitt 5) tyder på en smidig övergång från isoleringsgränsen till den metalliska, som åtföljs av ett homogent faslandskap. Si-bilagan innehåller experimentella data som visar stabilitet under många cykler (si-bilaga, avsnitt 2) och röntgendiffraktionsmätningar som ytterligare bidrar till att förklara övergångsbeteendet (si-bilaga, avsnitt 3).

för att möjliggöra design av termiska emittrar med SmNiO3 utförde vi temperaturberoende spektroskopisk ellipsometri med variabel vinkel över våglängdsområdet 2-till 16-µm genom hela fasövergången (Fig. 2 C och D)., De resulterande komplexa brytningsindexdata överensstämmer med att filmen gradvis blir mer metallisk från rumstemperatur till 140 ° C. Vi noterar att medan gradvisa övergångar generellt anses vara mindre användbara än abrupta övergångar för elektronisk och optisk omkopplingsteknik, är den gradvisa och hysteresfria naturen hos IMT i SmNiO3 avgörande för förverkligandet av ZDTEs.

för att minimera tillverkningskomplexitet och kostnad och därmed realisera robusta och stora zdtes, utforskade vi mönster baserade på omväxlande tunna filmer av SmNiO3., Vi använde de temperaturberoende optiska egenskaperna i Fig. 2 C och D och väletablerade optiska tunnfilmsberäkningar (20) för att hitta den nödvändiga kombinationen av tjockleken på en SmNiO3-film och ett substrat som stöder SmNiO3-syntes (Fig. 3A och SI Bilaga, punkt 4) för att uppnå ZDTE över 8 till 14 µm atmosfäriska öppenhet fönster. I Fig. 3A, vi ritade det beräknade temperaturderivatet av den emitterade integrerade strålningen för flera tjocklekar av SmNiO3 på safir, vilket indikerar att ZDTE kan uppnås för SmNiO3 tjocklek på 150 nm eller mer., Resultatet förändras inte mycket för SmNiO3-filmer tjockare än 250 nm, vilket indikerar att substratets optiska egenskaper inte påverkar emissiviteten, vilket gör SmNiO3 till en mångsidig ytbeläggning som kan användas för skalbar teknik.

vår fabricerade plana enhet består av en 220 nm SmNiO3-film som odlas på ett C-plan safirsubstrat (Fig. 3 a, infälld; se metoder för detaljer), från vilken vi mätte emissiviteten och den resulterande termiskt emitterade spektrala strålningen. Eftersom den resulterande strukturen är ogenomskinlig i vårt våglängdsområde av intresse och platt på våglängdens skala, kan Kirchhoffs lag användas för att beräkna normalriktningsemissivitet eN(λ,T) från normalincidensreflektansmätningar: En(λ,T)=1-RN(λ,T) (se metoder för detaljer)., Vi bekräftade detta resultat genom att mäta värmeutsläpp direkt, normalisera till ett laboratorium svartkropp bestående av en vertikalt orienterad 0,1 mm-tall kol nanotube skog (metoder). Försiktighet har vidtagits för att isolera provet värmeutsläpp från den termiska bakgrunden som utstrålas av de olika komponenterna i vårt instrument (22) (si bilaga, avsnitt 6). Resultaten från dessa två mätningar är i utmärkt överenskommelse (Fig. 3B).

Vi integrerade den uppmätta spektrala strålningen (Fig., 3C) över 8 – till 14-µm-fönstret för att erhålla den totala termiskt utsända integrerade strålningen som en funktion av temperatur, vilket visade önskad zdte-effekt inom ett 30 ° C-temperaturfönster centrerat kring 120 °C (Fig. 3D). Bort från mitten av fasövergången av SmNiO3, det vill säga under 80 och över 140 ° C, blir strålnings-vs.-temperaturprofilen monotont ökande, som förväntat för en typisk icke-termokromisk termisk emitter. Vi noterar att zdte-effekten är ganska robust för olika emissionsvinklar (si bilaga, avsnitt 7).,

närvaron av nolldifferentialområdet har djupgående konsekvenser för infraröd avbildning och kontroll av infraröd synlighet. För att visa detta utförde vi ett modellexperiment där två prover—vår ZDTE och en referens safir wafer-monterades på en temperaturreglerad chuck så att endast ett hörn rörde chucken och det mesta av provet suspenderades i luft, vilket resulterade i en temperaturgradient från 140 °C direkt ovanpå chucken till 105 °C i hörnet av det suspenderade området., När den avbildas med en långvågig infraröd (LWIR) kamera, är gradienten lätt observerbar på sapphire referens (Fig. 1B), men nästan helt försvinner på vår SmNiO3-baserade ZDTE (Fig. 1D). Observera att ljuspunkten i bottensidan av zdte-provet motsvarar en region utan SmNiO3 (dvs det är helt enkelt safir). Detta är det område som omfattas av klippet som används för att montera provet i sputteringskammaren. Den uppenbara temperaturskillnaden över proverna baserade på kamerabilden var 34 ° C för safir och 9 ° C för ZDTE. Samma fenomen observeras i Fig., 4, där vi visar temperaturutvecklingen av det infraröda utseendet hos SmNiO3-baserade ZDTEs jämfört med vår laboratory blackbody reference (kol nanotube forest) och safir och smält kiseldioxid wafers. Observera att vi numeriskt analyserade temperaturfallet över safir Wafers tjocklek (dvs från värmesteget till provets yta) och fann att det är mindre än 0,1 °C (SI bilaga, avsnitt 8).

vi noterar att förekomsten av nolldifferentialutsläpp inte nödvändigtvis garanterar helt temperaturoberoende infraröda signaturer. Till exempel kan små skillnader fortfarande observeras i utsläppen från våra ZDTEs vid 110 ° C vs. 140 ° C i Fig., 4, som härrör från en kombination av effekter som inkluderar ofullkomlig avbokning av blackbody-kurvan och förändringen av det reflekterade ljuset från miljön, eftersom en förändring i emissivitet sammanfaller med en förändring i reflektansen. Den senare kan kompenseras under utformningen av ZDTEs genom att överväga både det emitterade och reflekterade ljuset, förutsatt en viss bakgrundstemperatur.,

Sammanfattningsvis visade vi att det typiska en-till-en-förhållandet mellan temperatur och termisk strålning kan avskiljas med hjälp av nolldifferential termisk emitter (ZDTE) beläggningar baserade på SmNiO3, ett kvantmaterial med en hysteresfri termiskt driven isolator-till-metall övergång (IMT). Temperaturområdet för nolldifferentialutsläppseffekten kan ställas in i stor utsträckning av töjning, dopning eller lutningskontroll av SmNiO3, vilket kan flytta övergångsområdet till rumstemperatur och till och med under (15, 23-25)., Legeringar av samarium och neodymnickelat kan till exempel ha IMT-temperaturer ungefär mellan -100 °C och 100 °C beroende på den specifika sammansättningen (26), vilket kan möjliggöra zdte-design över ett brett temperaturområde (si bilaga, avsnitt 9). Möjligheten att frikoppla temperatur och termisk strålning med vår enkla design gör det möjligt att dölja värmesignaturer över stora områden, till exempel för bärbar personlig integritetsteknik, och har också konsekvenser för värmehantering i rymden., Mer allmänt kan denna demonstration motivera undersökningsområden för kvantmaterial som har mycket avstämbara elektroniska strukturer.