在全球氣候變暖和化石能源減碳需求日益迫切的背景下，被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)因其無需能耗、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，受到廣泛關(guān)注。通過調(diào)控材料在中紅外波段的光譜發(fā)射特性，可以實(shí)現(xiàn)晝夜間對環(huán)境熱交換的自適應(yīng)管理。然而，現(xiàn)有多數(shù)材料僅具備單一的高或低發(fā)射率，難以適應(yīng)日夜、季節(jié)等多變的環(huán)境熱需求，因此發(fā)展具備動(dòng)態(tài)可調(diào)光譜特性的智能熱管理材料成為研究熱點(diǎn)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文提出并構(gòu)建了一種基于 VO2 相變調(diào)控的溫度響應(yīng)型選擇性動(dòng)態(tài)發(fā)射率結(jié)構(gòu)（ selective dynamic emissivity device, SDED ）。該結(jié)構(gòu)通過多層膜系設(shè)計(jì)，在高溫下實(shí)現(xiàn)大氣窗口高發(fā)射率，增強(qiáng)散熱；在低溫下實(shí)現(xiàn)大氣窗口低發(fā)射率，減少散熱，同時(shí)提高大氣輻射區(qū)發(fā)射率，吸收環(huán)境熱輻射實(shí)現(xiàn)保溫。研究結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其優(yōu)越的熱管理能力，展現(xiàn)出在建筑節(jié)能、紅外隱身等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)工作以 Selective regulation of mid-infrared emissivity for passive cooling and air source heating 為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊。

本文首先基于大氣窗口與大氣輻射波段的光譜選擇性原理，建立了理想的輻射冷卻與保溫模型，闡明了溫度響應(yīng)型選擇性發(fā)射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路（圖1）。隨后，作者設(shè)計(jì)了一種基于VO2相變材料的多層膜結(jié)構(gòu)SDED，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)高低溫狀態(tài)下的發(fā)射率調(diào)控（圖2），并通過電場分布和功率損耗仿真進(jìn)一步揭示了其工作機(jī)理（圖3）。接著，作者完成了器件的制備，并利用SEM、AFM、拉曼光譜等手段對材料結(jié)構(gòu)和VO2的相變性能進(jìn)行了表征（圖4）。在此基礎(chǔ)上，測量了器件在不同溫度下的光譜發(fā)射率與紅外熱成像表現(xiàn)，證實(shí)其具備顯著的溫度響應(yīng)特性和可逆性（圖5）。最后，作者通過熱傳輸模型對其熱調(diào)控性能進(jìn)行了定量預(yù)測，展示了其在不同工作狀態(tài)下的輻射散熱能力與平衡溫度變化趨勢（圖6）。

圖1.理想的輻射冷卻與保溫的光譜及工作原理示意圖。

圖2. SDED結(jié)構(gòu)及其光譜仿真結(jié)果。(A) SDED結(jié)構(gòu)示意圖。(B) Al2O3、Ge、SiO2、TiO2和VO2的折射率和消光系數(shù)。(C)低溫狀態(tài)下SDED的模擬光譜發(fā)射率。(D)高溫狀態(tài)下SDED的模擬光譜發(fā)射率。

圖3. SDED的光學(xué)仿真。(A) SDED在低溫下的電場分布。(B) SDED在高溫下的電場分布。(C) SDED在低溫狀態(tài)下的功率損耗密度分布。(D) SDED在高溫狀態(tài)下的功率損耗密度分布。

圖4. SDED的材料表征。(A) SDED的截面掃描電鏡圖像，插圖為SDED實(shí)物圖。(B) VO2薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像，表面粗糙度為22.9 ?nm。(C) VO2薄膜的溫度-電阻變化曲線。(D) VO2薄膜在不同溫度下的拉曼光譜。

圖5. (A) SDED在80 ?°C和25 ?°C下的發(fā)射率光譜測量結(jié)果。(B) SDED在溫度梯度變化過程中的光譜發(fā)射率。(C) SDED在大氣窗口波段的平均發(fā)射率隨溫度變化的關(guān)系曲線。(D) SDED與普通玻璃在90?°C和40 ?°C下的紅外熱成像對比圖。

圖6.凈輻射冷卻功率與平衡溫度的計(jì)算結(jié)果。(A)當(dāng)相變溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，鉻材料與SDED在不同溫度下的凈輻射冷卻功率。(B)不同熱功率輸入下SDED的平衡溫度。(C)當(dāng)相變溫度接近環(huán)境溫度時(shí)，鉻材料與SDED在不同溫度下的凈輻射冷卻功率。(D)不同熱功率輸入下SDED的平衡溫度。Ta表示環(huán)境溫度，Tc表示相變溫度。

小結(jié)：為應(yīng)對環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)變化下對散熱與保溫的雙重需求，本文設(shè)計(jì)并制備了一種溫度響應(yīng)型的選擇性動(dòng)態(tài)發(fā)射率結(jié)構(gòu)，其基于VO2的金屬-絕緣相變特性，通過精確構(gòu)建Ge/VO2/Al2O3/TiO2/Ge多層膜系，實(shí)現(xiàn)了在不同溫度下對中紅外光譜發(fā)射行為的可逆調(diào)控。在高溫（80? °C）時(shí)，器件在大氣窗口（8–13? μm）波段表現(xiàn)出高達(dá)0.81的發(fā)射率，顯著增強(qiáng)輻射散熱能力；而在低溫（25 ?°C）時(shí)，該波段發(fā)射率降至0.11，同時(shí)在大氣輻射區(qū)（5–8 ?μm和13–20 ?μm）發(fā)射率升至0.6，有效抑制熱量流失并吸收大氣熱輻射以實(shí)現(xiàn)保溫。通過光學(xué)模擬與紅外成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該器件在散熱與保溫之間的動(dòng)態(tài)切換能力，具有顯著的熱調(diào)控效率和應(yīng)用潛力。該工作為實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)的被動(dòng)溫控提供了新思路。

論文信息：Li X, Liu M, Wu R, Wang C, Zou C*, Zhao B*, Pei G*. Selective regulation of mid‐infrared emissivity for passive cooling and air source heating. Laser & Photonics Reviews, e00600.

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