一种基于双曲材料调控近场辐射换热的结构的制作方法

1.本发明涉及辐射换热调控器件技术领域，尤其涉及一种基于双曲材料调控近场辐射换热的结构。


背景技术：

2.近场辐射换热由于其远超黑体辐射极限的换热能力在许多领域都有广泛的应用，如热光电、热成像、热辅助磁记录、辐射冷却和热管理等。为了寻求进一步增强辐射换热，人们将目光转向双曲材料。双曲材料具有很高的界面光子态密度，它的双曲色散特性支持自由空间中倏逝波光子在其内部的自由传播，其在近场热传递上具有很大的应用发展潜力。
3.以往研究表明，影响双曲材料近场辐射换热的主要因素有表面模式和体态模式。体态模式描述了双曲材料内部的传播波，其可以支持大波矢传播，受到人们广泛关注。biehs等人在2012年论证了双曲体态模式的激发可以极大地增强双曲材料之间的近场辐射换热，并称之为双曲声子激元(hpp)【s.biehs,et al.,physical review letters 109,104301(2012).】。这些双曲声子激元因其具有体态特征，wu等人将其称为双曲体态声子激元(hvpp)，并且说明了hvpp和双曲表面声子激元(hspp)的激发范围，对此后人们研究hvpp与hspp具有重要指导作用【x.wu et al.,journal of quantitative spectroscopy and radiative transfer 258,107337(2021).】。近年来，zhao等人基于天然双曲材料和双曲超材料，利用hvpp增强平板之间近场辐射换热【b.zhao.et al.,journal of heat transfer 139,022701(2017).】，zhang等人提出利用各向异性超表面中hspp的激发，达到调控粒子间辐射换热的效果【y.zhang,m.et al.,physical review b 100,085426(2019).】，但是关于利用hvpp方向依赖性和离散性对近场辐射进行调控的机理有待深入研究。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于双曲材料调控近场辐射换热的结构，以解决现有技术无法利用hvpp方向依赖性和离散性对近场辐射进行调控的问题。
5.基于上述目的，本发明提供了一种基于双曲材料调控近场辐射换热的结构，包括基底，所述结构还包括设于基底上方的纳米粒子，所述纳米粒子为moo3粒子，所述基底的材料为moo3，所述基底激发的hvpp为粒子间辐射换热提供各向异性换热通道，通过旋转基底以调控moo3粒子间辐射换热。
6.所述结构的整体尺寸为0.5*0.5*0.1cm量级。
7.优选的，所述moo3粒子为两个，两个moo3粒子之间的间距d为300-1800nm，moo3粒子的半径为10nm。
8.优选的，所述基底的厚度为100-1000nm。
9.所述基底通过联动件安装于底板上，所述moo3粒子通过悬臂梁挂设于固定板的下方，且所述固定板设于基底的上方。
10.作为一种可选的实施方式，所述联动件为旋钮。基底通过一个旋钮与底板相连，通
过底板的旋转带动基底的旋转，进而改变辐射换热量。
11.通过改变基底表面垂直于moo3基底的三个晶体方向以调控激发模式。
12.所述激发模式包括在原点的左右两侧激发、上下两侧激发及平面内的各个角度激发。
13.通过改变粒子间距和基底厚度以展现hvpp的激发所产生的调控效果。
14.粒子间距较小，基底厚度较薄时粒子间辐射换热量较大；粒子间距较大，基底厚度较薄时，粒子间的辐射换热量会在基底旋转过程中产生较多峰值。
15.本发明的有益效果：
16.(1)本发明提出了基于双曲材料调控近场辐射换热的结构，利用hvpp建立了各向异性辐射换热通道，通过旋转基底对粒子间近场辐射换热进行调控，发现基底中hvpp的激发能显著增强辐射换热。
17.(2)本发明弥补了利用hvpp方向依赖性和离散性对近场辐射进行调控机理研究的空白，可以为近场辐射热调控提供理论指导。
18.(3)本发明通过改变粒子间距和基底厚度，进一步展现了hvpp的激发所产生的调控效果：粒子间距较小，基底厚度较薄时粒子间辐射换热量较大；粒子间距较大，基底厚度较薄时，粒子间的辐射换热量会在基底旋转过程中产生较多峰值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明的结构示意图；其中，箭头表示热量传递过程；
21.图2为本发明三氧化钼三个晶体方向；其中，箭头表示基底的旋转方向；
22.图3为本发明moo3基底三个晶体方向时双曲激元的激发模式；其中，直线代表hvpp的渐近线，曲线表示hvpp的色散曲线；
23.图4(a)为角频率为1.467
×
10
14
rad/s，平板厚度t为1200nm时，反射系数rpp虚部的绝对值在波矢空间中的变化和(b)谱功率随角度变化；其中，r＝10nm，d＝600nm，；
24.图4(b)为不同基底旋转角度φ下谱功率pφ的变化趋势；
25.图5为平板厚度为1200nm时，不同粒子间距d下谱功率pφ随角度变化图；
26.图6为不同平板厚度t下谱功率pφ随角度变化图；(a)粒子间距d＝600nm,(b)粒子间距d＝900nm；
27.图中标记为：
28.1、基底；2、纳米粒子；3、底板；4、固定板；5、悬臂梁；6、旋钮。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
30.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发
明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.如图1所示，一种基于双曲材料调控近场辐射换热的结构，包括基底1，该结构还包括设于基底1上方的纳米粒子2，纳米粒子2为moo3粒子，基底1的材料为moo3，基底1激发的hvpp为粒子间辐射换热提供各向异性换热通道，通过旋转基底1以调控moo3粒子间辐射换热。其中，基底1通过联动件安装于底板3上，moo3粒子通过悬臂梁5挂设于固定板4的下方，且固定板4设于基底1的上方。此基于双曲材料调控近场辐射换热的结构或器件的整体尺寸优选为0.5*0.5*0.1cm量级。
32.作为一种可选的实施方式，moo3粒子为两个，两个moo3粒子之间的间距d为300-1800nm，moo3粒子的半径为10nm。基底1的厚度为100-1000nm。
33.作为一种可选的实施方式，基底1通过一个旋钮6与底板3相连，通过底板3的旋转带动基底1的旋转，进而改变辐射换热量。此旋钮可采用现有的连接旋钮，当底板旋转时，可以通过连接旋钮带动基底同步旋转。
34.各向异性材料moo3的光学响应与主轴方向的关系，其相对介电常数矩阵主对角线上的分量可以用洛伦兹方程描述:
[0035][0036]
其中，ω是角频率，lo是纵向光学，to是横向光学，j是复数的虚部，m＝x,y,z是moo3的晶体方向，对应于[100],[001]和[010]，如图2所示。
[0037]
如图3所示，讨论了moo3三个晶体方向时双曲激元的激发模式。图3(a)所示，当基底表面垂直于moo3的[100]晶体方向时，其介电常数张量为ε＝diag(εy,εz,εx)。此时垂直于界面的介电常数εx分量为正，因此不存在hspp的激发，由于平面内介电常数εy和εz分量符号相反，所以从图3(a)我们观察到hvpp可以在原点的左右两侧激发。如图3(b)所示，当基底表面垂直于moo3的[001]晶体方向时，介电常数张量为ε＝diag(εz,εx,εy)，由于面外介电常数为负，面内两个介电常数分量均为正，因此不存在hspp的激发，而hvpp可以在平面内的各个角度激发。如图3(c)所示，当基底表面垂直于moo3的[010]晶体方向时，介电常数张量为ε＝diag(εx,εy,εz)，hvpp在原点的上下两侧激发，与[100]晶体方向情况相似。综上，图3中只有hvpp的激发，没有hspp的激发。
[0038]
接下来讨论晶体方向为[100]时的辐射换热特性。
[0039]
在图4(a)中展示了hvpp的激发，图4(b)展示了不同基底旋转角度φ下谱功率pφ的变化趋势。在平板厚度为1200nm时，hvpp的激发是不连续的，这种离散现象导致在旋转平板过程中谱功率会随旋转角度变化出现多个峰值。从图4(a)可以看出，在大波矢处色散曲线贴近hvpp的渐近线。图中α是y轴与hvpp渐近线的夹角，β是与之对应的群速度角度，因为群速度决定了能流的速度与方向，所以如图1所示在x-y平面内旋转平板的过程中，当粒子
之间的轴线与平板hvpp激发所对应的群速度相一致时，粒子之间的辐射换热量最大。
[0040]
为了明晰粒子间距的近场辐射换热调节机理，在图5给出了在平板厚度12nm时，不同粒子间距d下粒子之间辐射换热随基底旋转角度变化图。当粒子间距较小时，可以认为粒子通过真空直接辐射换热，此时基底对辐射的影响很小，所以在旋转基底时粒子间辐射换热变化较小。当粒子之间的距离较大时，粒子间辐射换热主要通过基底进行，基底中hvpp的激发会增强辐射换热。
[0041]
平板厚度t对辐射换热的调控效果如图6所示。从图6整体变化趋势可以看出，平板厚度越小，nps之间的辐射换热越大。从图6中可以看出，平板厚度较小时，谱功率随角度变化时出现较多的峰值，这一现象与穿透深度有关。当厚度较小时，面内波矢量较小，穿透深度较大，与基底厚度较大时相比，除了会在渐近线附近处有hvpp的激发外(对应于0.29π处的峰值)，低阶hvpp激发会对辐射换热产生明显影响。
[0042]
本发明通过旋转基底对粒子间辐射换热进行调控，发现基底中hvpp的激发能显著增强辐射换热。其次，通过改变粒子间距和基底厚度进一步展现了hvpp的激发所产生的调控效果：粒子间距较小，基底厚度较薄时粒子间辐射换热量较大；粒子间距较大，基底厚度较薄时，粒子间的辐射换热量会在基底旋转过程中产生较多峰值。本发明可以为近场辐射热调控提供理论指导。
[0043]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0044]
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。