[发明专利]一种选择性吸收发射体

说明书

本发明公开的一种选择性吸收发射体包括衬底、覆设于衬底上的金属薄膜和设置于金属薄膜上的单元阵列，单元阵列由多个间隔排布的外形尺寸相同的基本单元组成，每个基本单元由若干个自上而下依次叠加的叠堆组成，每个叠堆包括金属层和位于金属层下侧的一层介质层或两层折射率不同的介质层，每个基本单元的侧面与衬底的法线夹角为‑80～80°。该选择性吸收发射体是一种具有波长选择性的宽带吸收发射体。其工作波长与单元阵列中基本单元顶部和底部的直径或长度的关联度较小，对制备技术的精度要求低，当其工作波长在8～13μm波段且具有高吸收和发射率时，可用于被动辐射制冷，也可以通过改变阵列设计参数在其他波长范围获得所需的吸收特性。

技术领域

本发明属于光电和光热功能材料与器件领域，具体涉及一种选择性吸收发射体。

背景技术

基尔霍夫热辐射定律用于描述物体发射率与吸收率之间的关系，该定律指出在相同温度下，不同物体对相同波长的单色辐射通量密度与单色吸收率之比与该温度下黑体对同一波长的单色辐射通量密度相等，也即吸收率等于发射率。它表明物体的辐射能力越大，吸收能力也越大，反之亦然。

热辐射是一种非接触式的传热方式，它依靠电磁波辐射可以实现在冷热物体间的能量传递，即便在真空中也能进行。2014年，美国斯坦福大学Shanhui Fan研究团队在Nature上(515卷，540页)报道了一种被动辐射制冷的方法，通过8～13微米大气透明窗口向约零下270摄氏度的低温宇宙空间进行热辐射，将物体表面温度降至比室温低约4.9摄氏度。该研究工作首次展现了在太阳直射条件下无需任何能源消耗而将物体温度降至室温以下，这是由于他们在物体表面引入了一种多层膜光学结构，该结构在大气透明窗口波段具有高发射率和高阳光反射特性。2016年，他们在隔绝热传导和热对流的条件下，进一步将温度降低约37摄氏度，该工作在Nature Communications杂志上(7卷，13729页)被报道。然而，事实上，能获得这么显著的温降也仅是使用了在8～13微米波长平均发射率约0.67的多层膜光学结构。其发射率谱显示其在大气透明窗口仍需提升，在非大气透明窗口需抑制其发射，即提升其波长选择性。

如前所述，为了增大物体辐射能力，提高发射率，可以通过提高吸收率来实现。而利用超构材料获取完美吸收体的研究已有较长历史。2008年，W.J.Padilla研究团队在Physical Review Letters上(101卷，097008页)首次报道了窄带近完美吸收，该材料在11.5GHz频率处可达到88％以上的吸收率。2012年后，陆续有不同研究团队在Nano Letters(12卷，1443页)、Scientific Reports(3卷，1249页和2662页以及4卷，4498页)上报道了利用具有双曲色散特性的超构材料来实现宽带选择性近完美吸收的理论和实验工作。2015年，澳大利亚的Min Gu研究团队在Advanced Optical Materials中(3卷，1047页)报道了基于双曲超构材料的红外热发射体，该材料在大气透明窗口平均发射率可达0.8，高于多层膜体系的0.67，然而，研究人员并未进行该超构材料的被动辐射制冷特性测试。据分析其原因是由于该超构材料需要利用电子束曝光技术进行制备，样品制备过程较为复杂，这给其实际应用带来了极大的困难。由此可见，利用双曲超构材料良好的波长选择性和高吸收率有助于实现接近于理论极限的辐射制冷特性，但前提是必须克服其样品制备方面的巨大挑战。

分析其样品结构特点可以看出，这类具有选择性的超构材料发射体多由圆台状阵列结构组成，其圆台直径自上而下逐渐变大，具体对应于其作用波长：圆台直径小，则吸收波长较短；圆台直径大，则吸收波长较长。在实际制备过程中必须精确定义其圆台底部和顶部直径方可实现对目标波长的选择性，对制备技术的精度要求高，制备难度大、效率低，难以进行大规模推广应用。如专利CN201810440195.X公开了一种可见-近红外区域宽波段完美吸收器及其制备方法，该专利中对圆台的顶、底直径均有着明确的限定。类似地，专利CN201510163603.8公开了一种半金字塔阵列的宽频吸波器，所述的半金字塔为多组边长尺寸逐渐变化的金属-介质交替叠加组合而成。金字塔上边长为900nm左右，下边长为1800nm左右，在8～14μm波段宽光谱具有高吸收发射率。