論文信息：

Zhaoyang Wang,Jiran Liang,Cancheng Jiang,Dangyuan Lei,Usama Afzal,Chengye Zhang,Yunfei Bai and Dequan Zhang, Innovative VO2 Metasurface Designs for Adaptive Radiation Cooling Smart Windows, Surfaces and Interfaces, 71, 106868 (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2025.106868

研究背景

全球建筑能耗占總能耗的30%-40%，其中暖通空調（HVAC）占比高達50%。其中傳統輻射制冷材料存在靜態光學特性，其固定反射率導致溫帶地區48%的能源因過冷效應浪費，與碳中和目標沖突。亟需開發氣候自適應熱管理技術，實現動態調節太陽能吸收與紅外輻射的平衡。材料二氧化釩（VO?）在68 °C附近發生可逆金屬-絕緣體相變（MIT），伴隨光學/電學特性劇變，這種相變使其光學和電學性質可大幅調控，在光探測器、智能窗、輻射冷卻器等領域展現出廣闊應用前景。

研究內容

本文提出了一種多層結構的多光譜調制超表面，由頂部的金屬超薄VO2納米片陣列、中間的CaF2介電層和底部的Low-E玻璃組成，如圖1所示。該結構的核心諧振單元為周期性垂直納米片，其結構參數（長度 b、寬度 w、高度 a 和周期 L）對熱發射波長至關重要，間隙（L-b）是熱發射率開關的關鍵，由VO2納米片結構控制。其中VO2納米片采用先進的納米加工技術（如電子束光刻結合反應離子刻蝕）制備，CaF2作為介電層，Low-E玻璃作為基底，確保結構的光學性能和機械穩定性。

圖1. 所設計的多光譜區域調制超表面的三維示意圖，其中L固定為2 μm，h固定為0.38 μm，a設置為1.6 μm，b設置為1.8 μm，w 設置為0.03 μm。平行光沿-Z軸垂直入射到樣品表面

本文還利用有限差分時域（FDTD）方法模擬了自適應輻射冷卻智能窗的光學響應，構建了包含垂直排列VO2納米片、CaF2間隔層和Low-E玻璃基底的代表性周期性單元，施加X和Y軸的周期性邊界條件，沿Z軸傳播的平面波激發，以模擬無限周期性并表征目標波長范圍內的寬帶光譜響應。

本文還對該超表面進行了調控機制分析，超表面的調制由吸收共振和非共振模式決定，受等效電感電容（LC）共振和表面等離激元（SPPs）影響。外部溫度通過誘導VO2在熱發射區域的相變來調節共振吸收，如圖2(a)和(b)所示。同時通過電場分布驗證共振機制，在9 μm波長處對絕緣體和金屬態的電場（E場）分布分析表明，E場熱點集中在間隙處，類似偶極共振，證實了LC共振模式的激活；同時，在二氧化釩（金屬態）和中間介電層之間觀察到SPPs效應，如圖2(c)所示，電場強度沿X軸逐漸減小，表明結構內成功激發了SPPs。

圖2.超表面共振模式分析(a) 超表面中表面等離激元與LC共振的示意圖；(b)等效 RLC電路

本文對該超表面進行了性能表征。該超表面的多光譜性能表現為，通過LC共振和SPPs的協同作用，超表面實現了0.85的寬熱發射率調制，金屬態下接近完美的寬帶發射率（0.97），同時具有68.8%的高光透射率和低太陽能吸收（0.28），太陽能吸收調制為-3.3%。

圖3. 對應不同中間層材料的吸收光譜響應，紅線表示90 °C時的光譜，黑線表示30 °C時的光譜

本文還對該超表面進行了結構參數優化。首先是納米片寬度（Y-span）的優化，隨著Y-span增加，寬光譜的發射率調制（90 ℃與30 ℃時的發射率之差）先增加后減少。當Y-span為0.03 μm時，吸收強度達到最佳0.92，此時太陽能吸收和熱發射率調制性能最優。其次是中間層厚度的優化，中間層厚度與共振波長密切相關，如圖4所示，厚度從0.1 μm增加到0.42 μm時，共振波長顯著紅移，吸收強度增強，在0.38 μm厚度時，整個熱發射區域的最大吸收強度達到0.98，此時太陽能吸收保持在0.26左右。

圖4. 模擬吸收光譜對不同介電層（間隔層）厚度的依賴性，其中(a)為太陽光譜波段，(b)為90℃時的熱發射波段

最后本文在九種不同氣候區的城市進行年度節能性能評估，與傳統Low-E玻璃窗戶相比，自適應輻射冷卻智能窗在各種氣候區均表現出顯著的節能效果。其中阿爾伯克基的節能效果最高，如圖5所示，達到97.95 MJ/m2，其他城市的節能效果也超過56.49 MJ/m2。

圖 5. 全球九個城市的年度節能評估計

結論與展望

綜上所述，本文研究成功設計并制備了一種基于垂直排列VO?納米片的超表面結構，實現了太陽能（0.38-2.5 μm）和熱輻射（2.5-14 μm）區域的多光譜調制，突破了傳統輻射冷卻器的性能限制。該創新性結構實現了0.85的熱發射率調制（從0.12到0.97），68.8%的高光透射率，低太陽能吸收（0.28）和-3.3%的太陽能吸收調制，與現有輻射冷卻器相比，性能具有顯著優勢，同時能量消耗模擬表明，該超表面解決方案比市售Low-E玻璃更節能，效率提升超過56.49%，為開發理想的輻射冷卻智能窗設備提供了新的理論支持和技術方向。未來隨著技術的不斷進步和完善，有望為實現碳中和目標和可持續發展做出重要貢獻。