一种基于同位素工程调控热辐射的装置及方法

1.本发明涉及热调控技术领域，具体涉及一种基于同位素工程调控热辐射的装置及方法。


背景技术：

2.许多元素有两种或两种以上的稳定同位素，由于质量和核结构的差异，不同同位素组成的材料往往可以表现出不同的物理性质，特别是同位素质量效应导致的与晶体结构和晶格动力学密切相关的物理性质。因此，同位素在地球化学、农业、医学和热科学等许多领域都得到了广泛的研究。
3.一方面，几十年来，同位素效应对三种基本传热模式中的两种——热传导和热对流的研究层出不穷。然而，同位素对第三种热传递模式(即热辐射)的影响仍有待探索。具体而言，自20世纪60年代以来，由于原子质量波动减小，声子散射减小，学者们通过理论预测并实验观测到了同位素富集对声子热导率的增强。随着同位素控制晶体生长的研究不断深入，技术不断革新，近年来，学者们在块状立方氮化硼(cbn)和硅纳米线中分别测得了热导率提升超过90％和150％的同位素效应。此外，在热对流领域，同位素对流体粘度、流体扩散性的影响也有广泛研究。这些同位素效应在与热传导和热对流的相关领域表现出了极强的优越性。热辐射作为普遍存在的传热途径，其在红外探测等民生方面至关重要；此外，在太空探索方面，热辐射是物质间热量交换的主要渠道。但目前，是否可以将同位素工程用于热辐射领域几乎没有研究。
4.事实上，对于热辐射传递过程中的辐射体而言，不论是介电体的光学声子还是金属或半导体的等离子体，其频率和展宽是决定辐射热流的关键特征参数，同位素质量效应主要就是通过改变晶格结构和晶格动力学来影响这些关键特征参数，具有潜在的、极强的影响以及广阔的应用空间。
5.第二方面，目前关于热辐射调控成数量级提升能力的方法大都局限于近场热辐射领域。然而，近场热辐射使用范围有限，应用上对辐射体间间距的控制要求极高，微小的间距差距将会大大削弱热辐射调控的性能，鲁棒性弱，适用范围窄。
6.第三方面，虽然学者们在目前对热辐射调控进行了大量的努力，通过参数化研究和设计所得到的热辐射传递能力虽有很大提升，但大多数优化得到的参数太过理想化，缺乏物理可行性。由于材料在制备过程中不能精准地达到设计的物性，如材料的同位素配比不同、厚度不同等将会大大影响热辐射传递能力，理想化参数设计在实际的应用中远远达不到目标性能，限制了相关器件的发展。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于同位素工程调控热辐射的装置及方法，根据该方法，通过调节辐射体中的同位素丰富比例，可实现辐射体材料在不同同位素配比下局域电磁态密度特征峰的匹配与失配，达到超过四个数量级的热辐射调控能力。
8.为此，第一方面，本发明提供一种辐射热流调制装置的辐射传热系数的调控方法，包括，提供一种辐射热流调制装置，所述辐射热流调制装置包括相对设置的第一辐射体和第二辐射体；其中，所述第一辐射体包含第一材料，所述第一材料包含第一元素；所述第二辐射体包含第二材料，所述第二材料包含第二元素；其中，对于所述第一材料和第二材料中的至少一个，支持表面极化激元激发；
9.所述调控方法包括：通过调节所述第一元素中的同位素丰度比例，和/或调节所述第二元素中的同位素丰度比例，从而实现对所述辐射热流调制装置的辐射传热系数的调控。
10.其中，所述表面极化激元既可以是表面声子极化激元，又可以是表面等离子体极化激元。在本发明的技术方案中，至少有一侧辐射体的表面极化激元能够被热激发。
11.为统一描述极化激元在本发明中的共性，引入等效等离子体极化激元的特征频率ω
p
，其中，ε
∞
为高频介电常数，ω
to
和ω
lo
分别为位于材料第一布里渊区γ点的横向光学声子频率和纵向光学声子频率；ω
to
和ω
to
与材料约化质量μ的倒数的相对变化有正比关系，可表示为：相对变化有正比关系，可表示为：对于双元素(a和b)组成的材料(ab)，约化质量μ由各个元素的总质量决定：是平均原子质量。
12.其中，对于所述第一材料和第二材料中的至少一个，通过同位素工程进行设计，其热流调控能力(即同位素效应η)大于1000；
13.其中，h
max
为不同同位素丰富比例下的最大辐射热传递系数，h
min
为不同同位素丰富比例下的最小辐射热传递系数。
14.根据本发明的技术方案，通过调节所述辐射热流调制装置中至少一个辐射体材料中至少一种元素中的同位素丰度比例，从而可以实现对该辐射热流调制装置的辐射传热系数的调节。
15.所述不同同位素的丰度比例调控方法可以在辐射体材料生长中通过控制不同同位素比例的前驱体、不同源炉离子束流速、温度等条件实现，也可以在材料生长结束后通过离子注入并退火处理的方法实现。
16.根据本发明的技术方案，所述同位素为稳定性同位素。本领域技术人员知晓，稳定性同位素指不具有放射性或者放射半衰期大于1015年的同位素。
17.在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料各自独立地选自极性介电体、金属、本征半导体、掺杂半导体。
18.在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料各自独立地选自下组：氢化物介电体，例如氢化锂(6lih)、氘化锂(6lid)、氚化锂(7lit)；硼化物介电体，例如立方氮化硼、六方氮化硼；包括选自下组的两种以上的合金：锌、镓、硒、铟、锡、碲，例如in
1-x
ga
x
as、gaas
1-x-ynx
biy、cu2znsns4等。
19.在一些实施方式中，所述第一元素和所述第二元素各自独立地选自氢、锂、硼、碳、氮、氧、硅、钙、钛、铁、镍、铜、锌、镓、锗、硒、银、铟、锡、锑、碲。
20.在一些实施方式中，所述第一材料和所述第二材料为氢化锂(6lih)；通过调节第
一材料中氢化锂中氢元素的同位素h/d的比例，和/或调节第二材料中氢化锂中氢元素的同位素h/d的比例，从而实现对所述辐射热流调制装置的辐射传热系数的调控。
21.在一些实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体之间为真空。
22.根据本发明的技术方案，所述第一辐射体和所述第二辐射体之间的真空间距不限定于微纳米量级，在宏观尺度也适用。
23.在一些实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体的辐射结构选自下组：平板-平板、球-平板；所述平板厚度小于10μm。
24.在一些实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体的厚度相同。
25.在一些实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体为具有光栅和/或超表面结构的辐射体。
26.根据本发明的技术方案，所述辐射热流调制装置中至少包括所述第一辐射体和所述第二辐射体，也可以包括更多数量的辐射体，本领域技术人员可根据使用场景进行选择。
27.根据本发明的技术方案，所述第一辐射体和所述第二辐射体的尺寸可在具有加工可行性的前提下根据实际需求进行选择；所述第一辐射体和所述第二辐射体的厚度优选为微纳米数量级。
28.在一些实施方式中，所述第一辐射体和所述第二辐射体的厚度选为1纳米。
29.在一些实施方式中，所述辐射热流调制装置中，所述第一材料与所述第二材料具有相同的分子式，所述第一元素与所述第二元素的元素种类相同。
30.在一些实施方式中，所述调控方法提高所述辐射热流调制装置的辐射传热系数，所述调控方法包括：
31.调节所述第一元素中的同位素丰度比例：使所述第一元素包括第一同位素和第二同位素，所述第一同位素的质量数大于所述第二同位素的质量数；调节所述第一同位素与所述第二同位素的可变同位素材料中较轻同位素的原子个数占比，使第一辐射体的约化质量增大(或减小)，特征频率红移(或蓝移)。
32.调节所述第二元素中的同位素丰度比例：使所述第二元素包括第三同位素和第四同位素，所述第三同位素的质量数大于所述第四同位素的质量数；调节所述第三同位素与所述第四同位素的原子个数占比，使第二辐射体的约化质量增大(或减小)，特征频率红移(或蓝移)，使特征频率接近(或远离)第一辐射体。
33.在一些实施方式中，所述调控方法提高所述辐射热流调制装置的辐射传热系数，所述调控方法包括：调节所述第一同位素与所述第二同位素的原子个数占比，使二者的原子个数占比的差值的绝对值为0；和/或，调节所述第三同位素与所述第四同位素的原子个数占比，使二者的原子个数占比的差值的绝对值为0；使第一辐射体和第二辐射体的特征频率一致(匹配)。
34.在一些实施方式中，所述调控方法降低所述辐射热流调制装置的辐射传热系数，所述调控方法包括：
35.调节所述第一元素中的同位素丰度比例：使所述第一元素包括第一同位素和第二同位素，所述第一同位素的质量数大于所述第二同位素的质量数；调节所述第一同位素与所述第二同位素的原子个数占比，并且使二者的原子个数占比的差值的绝对值增大或为100％；和/或，
36.调节所述第二元素中的同位素丰度比例：使所述第二元素包括第三同位素和第四同位素，所述第三同位素的质量数大于所述第四同位素的质量数，使二者的原子个数占比的差值的绝对值为0；；调节所述第三同位素与所述第四同位素的原子个数占比，使二者的原子个数占比的差值的绝对值为100％；使两辐射体的特征频率绝对值相差最大(失配)。
37.在一些实施方式中，所述第一元素与所述第二元素的元素种类相同。
38.在一些实施方式中，在所述第一元素所存在的所有同位素中，所述第一同位素为质量数最大的同位素，所述第二同位素为质量数最小的同位素；和/或，在所述第二元素所存在的所有同位素中，所述第三同位素为质量数最大的同位素，所述第四同位素为质量数最小的同位素。
39.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
40.(1)本发明首次对热辐射领域的同位素效应进行了研究，揭示了同位素对第三种热传递模式(即热辐射)的巨大影响。本发明利用同位素可以改变材料光学声子或等离子体的频率和峰宽、从而改变材料的介电性能、局域电磁态密度的特征，实现辐射体材料在不同同位素配比下局域电磁态密度特征峰的匹配与失配，既能增强、又能抑制热辐射传递，实现了辐射体间超过四个数量级的热辐射调控。
41.(2)本发明利用热辐射换热原理，不局限于近场热辐射或远场热辐射，在近场范围和远场范围内能均能实现超越四个数量级的热辐射调控能力，体现了本发明的适用场景的灵活性，大大扩展了本发明的适用空间和范围。
42.(3)本发明可根据应用实际情况考虑辐射体之间的实际参数范围内对应的材料物性，灵活选取目标同位素配比生长材料，以达到目标特征参数，实现辐射体间最大或最小的热辐射传递。此外，本发明提出的基于同位素工程调控热辐射的装置及方法切实可行，且在材料生长中即使特征尺寸或辐射体间距控制离目标尺寸有1个数量级的差距，仍然能够实现几个数量级的热辐射调控。说明了本发明提出的基于同位素工程调控热辐射的装置及方法的鲁棒性、广泛适用性。
附图说明
43.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
44.图1为基于同位素工程调控热辐射的装置及方法的装置结构示意图及原理图；
45.图2为氢化锂第一布里渊区γ点的光学声子随着约化质量的关系；
46.图3为实施例1中，同位素比例变化对氢化锂介电常数实部、虚部的影响；
47.图4为实施例1中，同位素比例变化对块体氢化锂表面100nm处电磁局域态密度(ldos)的影响；
48.图5为实施例1中，具有不同同位素比例的对称材料组合的辐射传热系数、同位素效应随间距的变化情况；
49.图6为实施例2中，具有不同同位素比例的非对称材料组合的辐射传热系数、同位素效应随间距的变化情况；
50.图7为实施例3中，同位素效应随着薄膜氢化锂薄膜厚度和辐射体间距尺寸的变化
情况；
51.图8为实施例4中，不同温度下，辐射体材料的同位素效应随不同的表面波特征频率和同位素导致的约化质量变化的变化情况。
具体实施方式
52.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
53.为了从微纳尺度到宏观尺度的范围内都能实现热辐射进行大幅度调控的目的，本发明在研究了热辐射领域的同位素效应后，基于同位素工程，提出了一种可以跨四个数量级进行辐射热调控的装置和方法。在此处简要阐述其工作的物理机制：
54.由于同位素比例不同，晶体质量随随之变化，且质量分布也会相应变化，从而影响晶格的振动特性，进而影响晶体对于外界电磁场变化的响应能力(即介电函数)。以典型的极性介电体材料xy为例，其第一布里渊区γ点的光学声子和介电函数的关系可以用洛伦兹振子模型来描述：
[0055][0056]
其中，式中ε
∞
为高频介电常数，γ为阻尼因子，ω
to
和ω
lo
分别为位于材料第一布里渊区γ点的横向光学声子频率和纵向光学声子频率。
[0057]
若x具有两种同位素，分别为x’和x”。材料中横向光学声子ω
to
和纵向光学声子ω
lo
的振荡频率和其约化质量有紧密的联系。随着xy中x2的比例不断上升，光学声子的特征振荡频率会随着xy约化质量倒数平方根的增大而增大，具体表现为：其中，xf为x’的比例为f组成的xy的分子式，x1是纯度为100％x”的xy晶体。是材料xy约化质量μ的倒数，是原子的平均质量，fi是某种同位素的比例。
[0058]
当用轻同位素取代重同位素时，第一布里渊区的区域中心γ点的光学声子频率增加。由于这些声子是由特定的排列和化学键产生的原子的集体振荡，类似于质量-弹簧振荡器模型，原子间的键合强度会被组成原子的较轻质量所改变。同时，声子会经历声子-声子散射、边界散射和同位素-声子散射等多重散射。在由不同同位素组成的晶体中，由于更混乱的质量分布，晶体非谐性增强，声子线宽变宽。通常，等比例混合晶体的声子寿命受到声子同位素散射最严重的限制，可用slack给出的质量波动参数来评估：
[0059][0060]
(参考文献，g.a.slack,effect of isotopes on low-temperature thermal conductivity[j],physical review 105,1957,829)
[0061]
其中，是单个元素的质量涨落参数。若不考虑y的同位素，则具
有由等比例混合的x’和x”组成的x
0.5
y表现出最强的质量无序，由于洛伦兹振子模型中的阻尼系数γ与声子寿命成反比，其阻尼因子γ达到最大值。
[0062]
根据涨落耗散定理，材料的介电响应决定了材料的辐射性能。当入射光子与晶格振动耦合时，在介电常数为负的频率段内会出现表面波，包括：表面声子极化激元(sphps，极性介电体支持)或者表面等离子体极化激元(spps，金属或掺杂半导体支持)。基于波动电动力学，两半无限大的平行平面辐射体间的热辐射传递系数可表达为：
[0063][0064]
在辐射体温度及间隔距离确定时，辐射传热系数只和s-和p-偏振的传输系数τs(ω,k)、τ
p
(ω,k)有关，这两项即为同位素造成的声子频移和展宽影响的主要项。
[0065]
一旦表面波能够被热激发，如果辐射发射体靠近辐射接收体，热辐射将由于光子隧穿效应而显著增强，具有准单色性，可超越黑体辐射极限几个数量级。另一方面，即使辐射发射体距离辐射接收体较远，表面波已经不再占主导作用，此时仍然可以通过控制光学声子的频率及展宽控制远场下薄膜内电磁场的能量耗散，具体体现为以berreman模式为代表的泄露模式的主要贡献，从而对热辐射进行高效调控。因此，本发明通过同位素对光学声子频率和展宽的影响，可以控制材料表面波和远场的电磁场能量损失，提供了一种基于同位素工程调控热辐射的方法及装置。
[0066]
通过对热辐射领域的同位素效应研究，本发明利用同位素可以改变材料光学声子或等离子体的频率和峰宽、从而改变材料的介电性能、局域电磁态密度的特征；通过特征峰辐射体间局域电磁态密度的匹配与失配，不限辐射体间的距离，一方面可以把同种材料之间的辐射传热性能增强一个数量级及以上；另一方面，也能够利用本发明中同位素效应的原理，实现同种材料间的辐射传热性能降低四个数量级，如图1的原理图所示。
[0067]
具体地，可选具有两种及两种以上同位素组成、且支持表面波激发的极性介电体材料或金属材料作为辐射体之一，根据所选辐射体材料中的光学声子或等离子体的频率和峰宽随材料中的某种特定同位素丰度的频移、展宽效应，通过同位素工程实现不同材料中的同位素配比，改变材料的约化质量，控制材料的表面光学声子的共振频率，从而实现材料局域电磁态密度的匹配与失配，实现辐射热流通道的打开与抑制。同时，可通过控制辐射体尺寸来抑制非表面波区段的模式贡献(近场：受抑全内反射带来的阻挫模式；远场：薄膜材料带来的法布里珀罗空腔内的干涉模式)，从而实现四个数量级以上的辐射热流调控。
[0068]
在一些实施方式中，对一种辐射热流调制装置进行辐射传热系数的调控，该辐射热流调制装置包括具有平行的平板-平板结构的第一辐射体和第二辐射体。若需增强辐射体间的热辐射，通过调控，使两辐射体材料的分子式和同位素配比均相同，都选择质量涨落最大的同位素配比，即在材料的可变同位素元素中，质量数最小的同位素与质量数最大的同位素各占50％。
[0069]
在一些实施方式中，对一种辐射热流调制装置进行辐射传热系数的调控，该辐射热流调制装置包括具有平行的平板-平板结构的第一辐射体和第二辐射体。若需弱辐射体间的热辐射，通过调控，使两热辐射平板材料的分子式相同，同位素配比不同。一个辐射体材料中可变同位素元素由100％的质量数最小的同位素组成，另一辐射体材料中同可变同位素元素由100％的质量数最大的同位素组成。
[0070]
在下文中，本发明将结合前述物理机制，结合实施例来阐述基于同位素工程调控热辐射的装置及方法的具体实现。
[0071]
在本发明中，除非有特殊说明，d表示辐射体间的间距，f表示材料中某种特定同位素占所有该元素的比例，同位素在元素中的占比指可变同位素材料中，质量较轻同位素原子个数的占比。
[0072]
实施例1
[0073]
提供一种辐射热流调制装置，其由相对设置的第一辐射体和第二辐射体组成，二者均为平板结构，均为相对于真空间距来说半无限大的块材，间距为100nm；第一辐射体和第二辐射体的材料均为氢化锂；温度t设定为300k。本实施例通过改变氢化锂中锂和氢元素的同位素比例来调节其辐射传热系数。
[0074]
氢化锂是支持表面声子极化激元激发的极性介电体材料，该特性可大大增强热辐射。锂元素具有6li和7li两种稳定同位素，氢元素具有1h、2d和3t三种同位素，但3t为放射性元素。但在本实施例中，考虑现实可行性，我们只考虑1h和2d两种稳定同位素。作为辐射体材料的氢化锂中锂元素由6li和7li组成，其中6li在锂元素中的占比为f1，h在氢元素中的占比为f2，将具有不同f1和f2取值的氢化锂表示如下：6lih(f1＝100％,f2＝100％)，6lid(f1＝100％,f2＝0)，6li
eq
h(f1＝100％,f2＝50％)，7lih(f1＝0,f2＝100％)，7lid(f1＝0,f2＝0)，7li
eq
h(f1＝0,f2＝50％)。
[0075]
首先，研究同位素对氢化锂第一布里渊区γ点的光学声子的影响，不同同位素丰度组成下声子频率随约化质量的负二分之一次方μ-0.5
的结果如图2所示。在图2所示的影响下，带入洛伦兹振子模型，六种典型氢化锂的介电常数的实部和虚部如图3(左)和图3(右)所示。
[0076]
六种半无限大氢化锂表面100nm高处的电磁局域态密度如图4所示。由于材料电磁局域态密度可以代表材料辐射能力的强弱，因此，通过控制氢化锂中锂和氢元素的同位素比例，可以显著影响单个辐射体辐射能力的大小。材料中质量较轻的同位素越多，材料辐射能力向高频移动。同时还可以发现，随着不同同位素占比的差值绝对值降低(即|f
1-f2|减小)，即材料中质量涨落增加，材料声子展宽将导致局域态密度的峰值有所降低，这也会影响辐射体的辐射能力。
[0077]
对于由纯6li组成的热辐射调控装置，考虑三种具有典型不同同位素丰度的对称结构热辐射调控装置，分别为6lih-6
lih、6li
eq
h-6
li
eq
h和6lid-6
lid。其中，
“‑”
两侧分别示出了热辐射调控装置中第一辐射体和第二辐射体的材料。上述三种热辐射调控装置的辐射传热系数、同位素效应随间距的变化情况如图5所示。根据图5的结果，6lih-6
lih辐射传热系数最小，6li
eq
h-6
li
eq
h的辐射传热系数最大，是6lih-6
lih的2.4倍。
[0078]
对于由纯1h组成的热辐射调控装置，考虑三种具有典型不同同位素丰度的对称结构热辐射调控装置，分别为7lih-7
lih、
eq
lih-eq
lih和7lid-7
lid。上述三种热辐射调控装置的辐射传热系数、同位素效应随间距的变化情况也如图6所示。根据图5的结果，7lih-7
lih辐射传热系数最小，7li
eq
h-7
li
eq
h的辐射传热系数最大，是7lih-7
lih的0.73倍。
[0079]
根据本发明提供的技术方案，6li
eq
h-6
li
eq
h相对于其他两种热辐射装置(6lih-6
lih和6lid-6
lid，其两个辐射体各自中，氢元素中h和d占比的差值的绝对值为|100％-0％|＝100％)，通过减少氢元素中h和d占比的差值，制备得到热辐射装置6li
eq
h-6
li
eq
h(其两个辐
射体各自中，氢元素中h和d占比的差值的绝对值为|50％-50％|＝0％)，显著提高了装置的辐射传热系数，这主要是来源于同位素与材料质量涨落相关的展宽效应。
[0080]
同理，
eq
lih-eq
lih相对于其他两种热辐射装置(7lih-7
lih和7lid-7
lid，其两个辐射体各自中，锂元素中6li和7li占比的差值的绝对值为|100％-0％|＝100％)，通过减少锂元素中6li和7li占比的差值，制备得到热辐射装置
eq
lih-eq
lih(其两个辐射体各自中，锂元素中6li和7li占比的差值的绝对值为|50％-50％|＝0％)，显著提高了装置的辐射传热系数。
[0081]
实施例2
[0082]
提供一种辐射热流调制装置，其由相对设置的第一辐射体和第二辐射体组成，二者均为平板结构，均为相对于真空间距来说半无限大的块材，间距为100nm；第一辐射体和第二辐射体的材料均为氢化锂；温度t设定为300k。与实施例1不同，本实施例主要考虑两辐射体元素组成不一致的非对称情况，一辐射体材料固定为6lih(即f1＝100％)，通过改变另一个同位素工程设计的氢化锂(6li
eng
h)中氢元素同位素h/d比例来调节其辐射传热系数。
[0083]
为了简便表示，将具有不同h/d比例的6li
eng
h表示如下：lih:100％的h，li
eq
h:50％的h，lid:0％的h。对于三种具有不同同位素丰度的热辐射调控装置，分别为lih-lih、lih-li
eq
h和lih-li
eq
d。其中，
“‑”
两侧分别示出了热辐射调控装置中第一辐射体和第二辐射体的材料。
[0084]
上述三种辐射热流调制装置的辐射传热系数、同位素效应随间距的变化情况如图7所示。在1nm的真空间距下，lih-lih的辐射传热系数最大，是lih-li
eq
d的57.5倍。
[0085]
根据本发明提供的技术方案，相对于热辐射调控装置lih-lih(其两个辐射体各自中，h的占比均大于d的占比)，通过调节氢化锂中h和d占比的差值，制备得到热辐射调控装置lih-li
eq
d(其第一辐射体中，h的占比大于d的占比，二者的差值的绝对值为100％；第二辐射体中，d的占比大于h的占比，二者的差值的绝对值为100％)。可见，利用同位素工程将辐射传热系数降低了一个数量级。
[0086]
实施例3
[0087]
提供一种辐射热流调制装置，其由相对设置的第一辐射体和第二辐射体组成，二者均为薄膜结构；第一辐射体和第二辐射体的材料均为氢化锂；温度t设定为300k。本实施例证明了，在实施例2的基础上，对于薄膜结构的辐射体，当第一辐射体和第二辐射体的间距不同时，仍可以通过改变lih中氢元素的同位素比例来调节其同位素效应，从而调节辐射传热系数。
[0088]
对于两种具有不同氢同位素丰度组成的热辐射调控装置，分别为lid-lid、和lih-lid。其中，
“‑”
两侧分别示出了热辐射调控装置中第一辐射体和第二辐射体的材料。
[0089]
本实施例中的辐射体为薄膜结构，一方面，其与在整个光谱中由于受抑全内反射造成的阻挫模式占主导的实施例1不同，随着辐射体材料的尺寸减薄，可以由图4中的局域电磁态密度(ldos)特征得到，薄膜材料于表面波频段范围外的ldos大大降低，越来越接近真空的特征。此时，薄膜之间的sphps耦合的贡献逐渐取代阻挫模式主导辐射热流。在ldos分布较窄的情况下，即使由于同位素比例变化带来的频移十分微小，也可能会导致sphps耦合剧烈失配，极大地降低非对称材料组合的传输概率。
[0090]
另一方面，与块体材料在块体-真空界面处形成的单一色散关系不同，薄膜可以通过层间sphps耦合分裂为对称模式和反对称模式的两种色散关系。
[0091]
当第一辐射体和第二辐射体的间距为极近场真空间距(如1nm)时，色散关系的分裂可以在支持大波矢的分离处合并为块体-真空界面处形成的单一色散关系，此时，可以重新得到实施例1中的热辐射特征。
[0092]
当第一辐射体和第二辐射体的间距为进一步增大(如1μm)时，由于此时真空间距内支持的波矢大小不够大，分裂的两种sphps模式难以合并在一起，这两模式会通过辐射体的耦合各自产生分为位于两支光学声子频率附近的两个主要贡献，导致热辐射传递通道更强的不匹配，即产生更大的同位素效应。
[0093]
图7示出了在代表了近场热辐射范围、和远场热辐射的间距下，同位素效应随辐射体材料厚度的变化情况。具体而言。实施例3比较了1nm、10nm、100nm、1μm和半无限大块材的情况。
[0094]
根据图7可得，1nm的lih薄膜获得的最大同位素效应可比块材lih大出两个数量级，即此时通过同位素工程可将热辐射传递系数降低三个数量级。磁瓦，表现出了巨大同位素效应的间距区间在百纳米范围内，这为百纳米量级的实验和器件带来了新的辐射调控可能。同时，为了实现较为显著的同位素效应，平板应小于10μm。
[0095]
上述结果表明，由于不同主导模态之间的权衡变化，在不同的真空间隙尺寸下的同位素效应都不是单调变化的，而在一定范围内存在波动。其中，对于近场热辐射而言，是因为由于辐射体厚度增加，阻挫模式逐渐掩盖了sphps模式的贡献；对于远场热辐射而言，是因为干涉模式逐渐代替了光学声子通过类似泄露模式实现的对电磁场能量的强烈吸收。
[0096]
本实施例还能证明，对于薄膜结构的辐射体，当第一辐射体和第二辐射体的间距不同时，仍可以通过改变辐射体材料中同位素的比例来调节其同位素效应，从而调节辐射传热系数。
[0097]
实施例4
[0098]
为了进一步解释本发明的技术方案可以适用的辐射体材料，本实施例提取了对支持表面波的不同材料的共同特征，利用洛伦兹-杜鲁德模型，用等效等离子体频率有效代表表面波的特征频率，从而分析得到了在同位素工程中最重要的两大参数对辐射热流调控的具体影响。具体如下：
[0099]
洛伦兹-杜鲁德模型可表达为：
[0100][0101]
材料的表面等效等离子体频率为当ω
to
＝0时，洛伦兹-杜鲁德模型可简化为杜鲁德模型。为简单起见，本实施例基于氢化锂的物性参数，利用lst关系假设ε
∞
＝1，ε0＝0，并将γ固定为2cm-1
，将r＝ω
lo
/ω
to
固定为1.8，则有
[0102]
当两辐射体为平行平板结构，平均温度为300k，两辐射体间的真空间距为100nm，辐射体均为1nm厚度的薄膜。在此情况下，本实施例清楚地揭示了材料由同位素变化带来的约化质量的变化越大，同位素效应越大这一规律，如图8所示。
[0103]
根据图8，在300k下，当ω
p
频率大于近红外区时(ω
p
》9000cm-1
)，同位素效应小于1，对应着材料的表面波不能被激发的情况，在这种情况下，辐射热流不能有效应用本发明提供的技术方案，通过同位素工程来调控。
[0104]
本实施例进一步关注到，由于材料表面波的激发和温度有关。在300k下辐射热流能够有效被调控的等效等离子频率范围内，存在一个最优的ω
p
(即ω
p,opt
)，其同位素效应最大。在ω
p,opt
频率处，最大同位素效应的出现主要来源于材料在近场热辐射间距范围内，两侧同位素比例相同的辐射体组合和两侧同位素比例不相同的辐射体组合中，表面波耦合差异最大导致的结果。进一步地，由于温度将影响表面波的激发，在不同温度下，保持其他条件不变，最佳材料共振频率ω
p,opt
取值也将不同。例如，在300k时，ω
p,opt
约为2800cm-1
，在50k时，ω
p,opt
约为500cm-1
。
[0105]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。