Temperaturunabhängige Wärmestrahlung

• Wärmestrahlung
• thermische Emission
• Phasenübergang
• Quantenmaterialien
• Wärmeübertragung

Die Gesamtleistung, die thermisch von einer Oberfläche im freien Raum emittiert wird, kann durch Integration ihrer spektralen Strahlung—gegeben durch das Planck—Gesetz und einen Emissionsgrad-über alle Wellenlängen und Halbkugelwinkel (1, 2) erhalten werden., Unter der Annahme einer vernachlässigbaren Winkelabhängigkeit des Emissionsgrads und des Einwickelns des Winkelintegrals in die Schwarzkörperverteilung IBB(λ, T) kann diese Beziehung als expressed λdλ ε(λ,T)IBB(λ, T)=Aetot(T)σT4 ausgedrückt werden,wobei A die Oberfläche ist,ε(λ,T) die spektrale Emissivität ist, λ die Wellenlänge im freien Raum ist,T die Temperatur ist und σ die Stefan-Boltzmann–Konstante ist., Der gesamte Emissionsgrad, etot (T), kann eine allmähliche Temperaturabhängigkeit aufweisen, auch wenn der spektrale Emissionsgrad aufgrund der Integration von ε(λ) IBB(λ, T) (3) keine solche Abhängigkeit aufweist; Dennoch wird diese Abhängigkeit gewöhnlich durch den T4-Term in den Schatten gestellt, und so kann etot oft als ungefähr konstant angesehen werden. Somit ergibt das Stefan-Boltzmann-Gesetz eine Eins-zu-Eins-Abbildung zwischen der Temperatur eines Objekts und der emittierten Leistung, was zu der herkömmlichen Weisheit führt, dass heißere Objekte mehr Licht emittieren (Abb. 1 A und C) und ermöglicht Anwendungen wie Infrarot-Bildgebung und berührungslose Thermometrie (4, 5).,

Diese Annahme eines nahezu konstanten Emissionsgrads muss für thermische Strahler, die Materialien enthalten, deren optische Eigenschaften mit der Temperatur weitgehend abstimmbar sind (d. H. Thermochrome), erneut geprüft werden. Beispielsweise kann ein Emissionsgrad, der mit der Temperatur zunimmt, dazu führen, dass die emittierte Leistung schneller wächst als T4 (6, 7), und ein Emissionsgrad, der mit der Temperatur schnell abnimmt, kann die Steigung der typischen Stefan–Boltzmann-Kurve überwältigen und umkehren (8, 9).,

Hier zeigen wir, dass es möglich ist, eine vollständige Aufschlüsselung der konventionellen Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen der Temperatur und der thermisch emittierten Leistung zu erreichen, P. Eine thermische Emissionsbeschichtung mit dieser einzigartigen Eigenschaft kann als Heizkörper dienen, der unabhängig von seiner Temperatur eine feste Wärmemenge abgibt und Temperaturunterschiede über ein Objekt von Infrarotbildschirmen verbergen kann. Diese Bedingung kann als ∂P/∂T=0 geschrieben werden und tritt auf, wenn etot=yT-4, wobei γ eine Konstante mit Einheiten von Kelvin (4) ist., Eine Oberfläche mit etot, die über einen gewissen Temperaturbereich zu dieser Form passt, wird fortan als nulldifferentieller thermischer Emitter (ZDTE) bezeichnet. Das Erreichen des ZDTE-Verhaltens unter Verwendung realer Materialien ist äußerst herausfordernd: Die notwendige Änderungsrate des Emissionsgrads mit der Temperatur ist viel größer als das, was mit herkömmlichen Materialien erreicht werden kann (z. B. mit Bandhalbleitern wie Silizium über die temperaturabhängige Population von Elektronen im Leitungsband; Abb. 1B) ist aber kleiner als die von Materialien mit abrupten Phasenübergängen (z.B. Vanadiumdioxid; refs. 8 und 10)., Weiterhin ist diese Bedingung nur für eine hysteresefreie Temperaturabhängigkeit des Emissionsgrades möglich; andernfalls kann die ZDTE-Bedingung nur während des Erhitzens oder Abkühlens erfüllt sein, aber nicht beides (weiter im Anhang, Abschnitt 1 besprochen).,

Hier demonstrieren wir ZDTE im 8-bis 14-µm atmosphärischen Transparenzfenster (11) unter Verwendung von Samarium-Nickeloxid (SmNiO3), einem korrelierten Perowskit, der eine starke, aber relativ allmähliche Entwicklung seiner optischen Eigenschaften über den Temperaturbereich von ∼40 bis ∼140 °C aufweist, die sich aus einem vollständig reversiblen und hysteresefreien thermisch angetriebenen Isolator-Metall-Übergang (IMT) ergibt (12 ⇓ ⇓ ⇓ -16). Das thermische IMT in SmNiO3 ist auf eine Ladungsdisproportionierung in der Ni-Stelle zurückzuführen und beinhaltet subtile Änderungen des Ni–O–Ni-Bindungswinkels (12, 16)., In unseren SmNiO3-Folien (Verfahren) ist dieser thermisch angetriebene Übergang über viele Zyklen reversibel und weist in beiden elektrischen im Wesentlichen keine Hysterese auf (Abb. 2A) und optische Messungen (Abb. 2B), im krassen Gegensatz zu vielen anderen Materialien mit starken IMTs . Hysteresefreie IMT finden sich in Seltenerd-Nickelaten mit hohen Phasenübergangstemperaturen, bei denen eine vernachlässigbare oder vollständige Abwesenheit von Hysterese auf die Entkopplung des IMT mit antiferromagnetischer Ordnung und eine schnellere Phasentransformationskinetik bei höheren Temperaturen zurückzuführen sein kann (18, 19)., Die Einzigartigkeit dieses IMT wird auch direkt in unseren räumlich aufgelösten röntgenabsorptionsspektroskopischen Karten (XAS) über den thermischen Übergang beobachtet, die eine sanfte Temperaturschwankung (dh das Fehlen einer metallischen/isolierenden Domänentextur bei jeder Temperatur) bis zu einer length 20-nm-Längenskala zeigen, einschließlich für Temperaturen tief innerhalb des IMT; siehe Methoden und SI-Anhang, Abschnitt 5 für Details. Es wurden keine anderen räumlichen Merkmale als Detektorgeräusche beobachtet., Der Trend in diesen räumlichen Karten (einschließlich zusätzlicher Daten im Anhang, Abschnitt 5) deutet auf einen glatten Übergang von der isolierenden zur metallischen Grenze hin, der von einer homogenen Phasenlandschaft begleitet wird. Der SI-Anhang enthält experimentelle Daten, die Stabilität über viele Zyklen zeigen (SI-Anhang, Abschnitt 2) und Röntgenbeugungsmessungen, die das Übergangsverhalten weiter erklären (SI-Anhang, Abschnitt 3).

Um die Konstruktion von thermischen Emittern mit SmNiO3 zu ermöglichen, führten wir eine temperaturabhängige spektroskopische Ellipse-Spektroskopie mit variablem Winkel über den Wellenlängenbereich von 2 bis 16 µm durch den gesamten Bereich des Phasenübergangs (Abb. 2 C und D)., Die resultierenden komplexen Brechungsindexdaten stimmen damit überein, dass der Film von Raumtemperatur bis ∼140 °C allmählich metallischer wird.Wir stellen fest, dass, während allmähliche Übergänge allgemein als weniger nützlich angesehen werden als abrupte Übergänge für elektronische und optische Schalttechnologien, hier die allmähliche und hysteresefreie Natur des IMT in SmNiO3 wesentlich für die Realisierung von ZDTEs ist.

Um Fertigungskomplexität und-kosten zu minimieren und damit robuste und großflächige ZDTEs zu realisieren, untersuchten wir Konstruktionen auf Basis von nicht patentierten Dünnschichten von SmNiO3., Wir haben die temperaturabhängigen optischen Eigenschaften in Abb. 2 C und D und gut etablierte optische Dünnschichtberechnungen (20), um die notwendige Kombination der Dicke eines SmNiO3-Films und eines Substrats zu finden, das die SmNiO3-Synthese unterstützt (Abb. 3A und SI Anhang, Abschnitt 4), um ZDTE über das atmosphärische Transparenzfenster von 8 bis 14 µm zu erreichen. In Abb. 3A zeichneten wir die berechnete Temperaturableitung der emittierten integrierten Strahlungsstärke für mehrere Dicken von SmNiO3 auf Saphir, was anzeigt, dass ZDTE für SmNiO3 Dicke von ∼150 nm oder mehr erreicht werden kann., Das Ergebnis ändert sich nicht viel für SmNiO3-Filme, die dicker als ∼250 nm sind, was darauf hinweist, dass die optischen Eigenschaften des Substrats den Emissionsgrad nicht beeinflussen, was SmNiO3 zu einer vielseitigen Oberflächenbeschichtung macht, die für skalierbare Technologien verwendet werden kann.

Unsere hergestellte planare Vorrichtung besteht aus einem ∼220-nm-SmNiO3-Film, der auf einem c-ebenen Saphirsubstrat gezüchtet ist (Abb. 3 A, Inset; siehe Methoden für Details), aus denen wir den Emissionsgrad und die resultierende thermisch emittierte spektrale Strahlung gemessen haben. Da die resultierende Struktur in unserem interessierenden Wellenlängenbereich undurchsichtig und auf der Skala der Wellenlänge flach ist,kann Kirchhoffs Gesetz verwendet werden,um den Emissionsgrad in normaler Richtung eN(λ,T) aus Reflexionsmessungen mit normaler Inzidenz zu berechnen: eN(λ, T)=1-RN(λ, T) (siehe Methoden für Details)., Wir haben dieses Ergebnis bestätigt, indem wir die thermische Emission direkt gemessen und zu einem Laborschwarzkörper normalisiert haben, der aus einem vertikal ausgerichteten 0,1 mm hohen Kohlenstoffnanoröhrchenwald besteht (Methoden). Es wurde darauf geachtet, die thermische Emission der Probe von dem thermischen Hintergrund zu isolieren, der von den verschiedenen Komponenten unseres Instruments (22) abgestrahlt wird (SIEHE Anhang, Abschnitt 6). Die Ergebnisse dieser beiden Messungen stimmen hervorragend überein (Abb. 3B).

Wir haben die gemessene spektrale Strahlkraft integriert (Abb., 3C) über das 8-bis 14-µm-Fenster die gesamte thermisch emittierte integrierte Strahlungsleistung als Funktion der Temperatur zu erhalten, die den gewünschten ZDTE-Effekt innerhalb eines ∼30 °C-Temperaturfensters zeigte, der um ∼120 °C zentriert war (Abb. DREIDIMENSIONAL). Abseits des Zentrums des Phasenübergangs von SmNiO3, also unterhalb ∼80 und oberhalb ∼140 °C, wird das Strahlungs-gegen-Temperatur-Profil monoton ansteigend, wie für einen typischen nichtthermochromen thermischen Emitter erwartet. Wir stellen fest, dass der ZDTE-Effekt für verschiedene Emissionswinkel recht robust ist (SIEHE Anhang, Abschnitt 7).,

Das Vorhandensein des Nulldifferentialbereichs hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Infrarot-Bildgebung und die Kontrolle der Infrarot-Sichtbarkeit. Um dies zu demonstrieren, führten wir ein Modellexperiment durch, bei dem zwei Proben—unser ZDTE und ein Referenz-Saphirwafer-so auf einem temperaturgesteuerten Spannfutter montiert wurden, dass nur eine Ecke das Spannfutter berührte und der größte Teil der Probe an Luft suspendiert wurde, was zu einem Temperaturgradienten von ∼140 °C direkt oben auf dem Spannfutter bis ∼105 °C an der Ecke des suspendierten Bereichs führte., Bei der Abbildung mit einer langwelligen Infrarotkamera (LWIR) ist der Gradient auf der Saphirreferenz leicht zu beobachten (Abb. 1B) verschwindet aber fast vollständig auf unserem SmNiO3-basierten ZDTE (Abb. 1D). Beachten Sie, dass der helle Fleck auf der Unterseite der ZDTE-Probe einem Bereich ohne SmNiO3 entspricht (dh es handelt sich einfach um Saphir). Dies ist der Bereich, der durch den Clip abgedeckt wird, mit dem die Probe in der Sputterkammer montiert wird. Der scheinbare Temperaturunterschied zwischen den Proben auf der Grundlage des Kamerabildes betrug ∼34 °C für den Saphir und ∼9 °C für den ZDTE. Das gleiche Phänomen wird in Abb., 4, wo wir die Temperaturentwicklung des Infrarot-Aussehens von SmNiO3-basierten ZDTEs im Vergleich zu unserer Laborschwarzkörperreferenz (Kohlenstoffnanoröhrchenreferenz) und Saphir-und Quarzglaswafern zeigen. Beachten Sie, dass wir den Temperaturabfall über die Dicke des Saphirwafers (d. H. Von der Wärmestufe bis zur Oberfläche der Probe) numerisch analysiert und festgestellt haben, dass er weniger als 0,1 °C beträgt (SI Anhang, Abschnitt 8).

Wir stellen fest, dass das Vorhandensein einer nulldifferentiellen Emission nicht unbedingt vollständig temperaturunabhängige Infrarotsignaturen garantiert. Zum Beispiel können noch leichte Unterschiede in der Emission von unseren ZDTEs bei 110 °C vs. 140 °C in Fig., 4, resultierend aus einer Kombination von Effekten, die eine unvollkommene Aufhebung der Schwarzkörperkurve und die Änderung des reflektierten Lichts aus der Umgebung einschließen, da eine Änderung des Emissionsgrads mit einer Änderung des Reflexionsgrades zusammenfällt. Letzteres kann bei der Gestaltung von ZDTEs kompensiert werden, indem sowohl das emittierte als auch das reflektierte Licht unter der Annahme einer bestimmten Hintergrundtemperatur berücksichtigt werden.,

Abschließend haben wir gezeigt, dass die typische Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen Temperatur und Wärmestrahlung mithilfe von ZDTE-Beschichtungen (Zero-Differential Thermal Emitter) auf der Basis von SmNiO3, einem Quantenmaterial mit einem hysteresefreien thermisch angetriebenen Isolator-Metall-Übergang (IMT), durchtrennt werden kann. Der Temperaturbereich des nulldifferentiellen Emissionseffekts kann durch Dehnungs -, Dotier-oder Neigungssteuerung von SmNiO3 weitgehend eingestellt werden, wodurch der Übergangsbereich auf Raumtemperatur und sogar darunter (15, 23⇓-25) verschoben werden kann., Beispielsweise können Legierungen von Samarium – und Neodym-Nickelaten je nach spezifischer Zusammensetzung IMT-Temperaturen in etwa zwischen -100 °C und 100 °C aufweisen (26), was eine ZDTE-Konstruktion über einen weiten Temperaturbereich ermöglichen kann (SI Anhang, Abschnitt 9). Die Fähigkeit, Temperatur und Wärmestrahlung mit unserem einfachen Design zu entkoppeln, ermöglicht Ansätze zum Verbergen von Wärmesignaturen über große Flächen, beispielsweise für tragbare Technologien zum Schutz der Privatsphäre, und hat auch Auswirkungen auf das Wärmemanagement im Weltraum., Im weiteren Sinne kann diese Demonstration Untersuchungsbereiche für Quantenmaterialien motivieren, die hochgradig abstimmbare elektronische Strukturen besitzen.