[发明专利]一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管

说明书

一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管。本发明属于热调整器领域。本发明的目的是为了解决现有热二极管系统热整流系数较低，整流效果差，并且其整流能力一旦设定则无法调整，缺乏主动的可调性的技术问题。本发明的光子热二极管由热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构构成，且二者之间具有真空间隙并平行设置，所述热流反向端口复合异质结构由上至下依次为反向端基底、反向端热致色变层、反向端黑磷层；所述热流正向端口复合异质结构由上至下依次为正向端黑磷层、正向端内膜、正向端基底，所述反向端热致色变层为二氧化钒薄膜，所述正向端内膜为P型掺杂硅膜层。本发明的光子热二极管整流效果好。

技术领域

本发明属于热调整器领域，具体涉及一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管。

背景技术

日新月异的微/纳米技术极大地促进了能源转化设备、能源存储设备、电子元器件、机电系统、医疗器械等的高效微型化。在数字化、信息化高速发展的今天，以大规模集成芯片为代表的微/纳米技术产生的大量能量大部分被用于散热和冷却。其中的微纳米尺度的热流控制技术是现代技术在热管理、能量转换和基于热的信息处理方面的一个关键问题。近年来，由于热信息处理、纳米电子的热管理和热-电转换等方面的作用日益重要，与电流二极管操作类似的，用以操纵热流的热二极管作引起了人们极大的兴趣。在早期，由于理论和热实验的成熟，对热二极管的研究主要限于通过声子在纳米结构材料中的非互易热传导实现。但是，基于声子的热二极管可能会存在一些局限性，例如声子的传输速度比较低，并且不可避免地会存在局部的Kapitza电阻，从而大大降低热二极管中的热流。然而，通过光子本身的无阻尼特性，这些限制可以很好地被基于辐射换热的光子热二极管克服。此外，当它们之间的距离小于或接近时，由于近场效应(包括极化子的激发和光子隧穿效应)，可以大大增强两个物体之间的辐射热传递，以此大幅度提高光子热二极管的整流比率。热整流系数即为Q_forward/Q_reverse-1，其中Q_forward代表正向热流，Q_reverse代表反向热流。

随着微尺度研究的深入，近年来学者发现材料与温度相关的介电函数和不对称纳米结构可以有效地引起近场辐射热整流。二氧化钒(VO₂)是一种典型的热致变色介质，具有与温度相关的介电功能。它可以从341K以下的各向异性绝缘体(在红外区域支持若干声子激元)到341K以上的各向同性金属发生相变。将二氧化钒的热致相变特性应用于辐射换热中，通过二氧化钒低温下绝缘态声子激元介导的高发射特性和高温下金属态的低辐射特性，可以实现热流的方向性操控。但是，由于二氧化钒其较弱的声子激元强度和光子热二极管不对称结构限制，这些基于二氧化钒的声子激元热致变色能力所涉及的热整流器，热整流系数较低，整流效果差，并且其整流能力一旦设定则无法调整，缺乏主动的可调性。综上所述，这些不足之处将会严重限制基于二氧化钒热致色变特性的光子热二极管系统在微/纳米设备的应用前景。寻找一种兼具高效、可调的二氧化钒光子热二极管系统的科学问题也慢慢凸现出来，成为影响甚至是制约微/纳米设备热流操控技术发展和应用的关键因素。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有热二极管系统热整流系数较低，整流效果差，并且其整流能力一旦设定则无法调整，缺乏主动的可调性的技术问题，而提供一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管。

本发明的一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管由热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构构成，热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间具有真空间隙；所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构平行设置，所述热流反向端口复合异质结构由上至下依次为反向端基底、反向端热致色变层、反向端黑磷层；所述热流正向端口复合异质结构由上至下依次为正向端黑磷层、正向端内膜、正向端基底，所述反向端热致色变层为二氧化钒薄膜，所述正向端内膜为P型掺杂硅膜层。

进一步限定，所述反向端基底的材料Cu薄膜。