基于变间距近场热辐射效应的辐射热整流器件及设计方法

本发明涉及一种基于变间距近场热辐射效应的辐射热整流器件及其设计方法。

背景技术：

1、辐射热整流作为辐射热传导的控制方式之一，在非接触式热管理、热编码及辐射冷却等领域有着广泛应用。作为这一方式的核心器件的辐射热整流器能够如同电二极管一般由温度偏置方向驱动来控制热流，使热流整体上仅在指定方向上传导，称作热整流。通常衡量辐射热整流器整流性能的关键参数是整流比r，r=qf/qr-1，其中qf与qr分别代表在正向与反向温度偏置下被允许通过的辐射热整流器的热通量。

2、传统辐射热整流器主要关注具有不同温度依赖电磁特性材料或者结构构成的两极之间的电磁波谱耦合，其基本思想是，在温度偏置为正向时，两极间的电磁波谱耦合达到极大，反之在温度偏置为反向时，两极间的电磁波谱耦合达到极小，从而使热通量在不同偏置下形成高对比度，实现高热整流比。然而，不同材料或结构的使用阻碍了电磁波谱的完美耦合，此外材料电磁特性对温度的低敏感性也限制了传统辐射热整流器必须工作在较大的温度差下(如数百开尔文)，才能取得较高的热整流比，这大大削弱了辐射热整流器的应用潜力。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比的辐射热整流器件及其设计方法，并可实现基于温度变化的辐射热整流效应的自适应动态调制。

2、为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

3、一种利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比的辐射热整流器件，包括辐射器与接收器，此处及以下所述的“辐射/接收”均以温度正向偏置时各部件或结构、材料所处位置为界定标准：

4、辐射器由辐射层、真空层、热膨胀材料层组成，接收器由接收层、金属屏蔽层、热收缩材料层组成。所述辐射层与所述接收层为支持近场热辐射效应或者红外极化激元耦合的功能层。所述辐射器与所述接收器之间须有间隙且为可调间隙，可根据实际情况进行调节，调节范围为5nm~5μm。

5、一种利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比的辐射热整流器件的设计方法，包括：

6、s101.对所述辐射热整流器件的辐射器及接收器进行设计；

7、s201.所述辐射热整流器件的工作运行方式。

8、可选的，s101具体包括以下步骤：

9、s1011.选择石墨烯二维材料与半导体硅薄膜作为所述辐射层与所述接收层的主要构成，其中所述石墨烯二维材料应单层叠放在所述半导体硅薄膜上；

10、s1012.将所述石墨烯二维材料与所述半导体硅薄膜进行组合后，以对称结构设计分别覆盖在所述辐射器的真空层与所述接收器的金属屏蔽层上，得到所述辐射层与所述接收层；

11、可选的，s201具体包括以下步骤：

12、s2011. 当对所述辐射热整流器件外加温度偏置时，所述辐射热整流器件的辐射器与接收器间的辐射热通量 q由公式(1-1)表示：

13、；

14、其中 q为辐射热通量， t为303.15k(30℃)， t1表示热源温度， t2表示冷源温度，δ t为热源与冷源之间的温差，为普朗克振子平均能量；表示光子隧穿概率， ω为光子角频率， β为横向波矢， d为辐射器与接收器之间的间距， j代表 s/p偏振模式。在给定热源与冷源温度下，辐射热整流器件的辐射热通量与间距 d大体上呈指数衰减关系，

15、s2012. 当所述辐射热整流器件外加温度偏置反转时，所述辐射器与所述接收器之间的间隙变化δ d由所述热膨胀材料层厚度 t1、所述热膨胀材料层热膨胀系数 α1、所述热收缩材料层厚度 t2、所述热收缩材料层热膨胀系数 α2共同调控：δ d=( α1 t1 -α2 t2) δ t，此时所述辐射器与所述接收器之间的间距由近场变为远场，远场间隙 dr由近场间距 df与变化间距δ d共同决定，表示为 dr= df+δ d，远场与近场下的辐射热通量 qr与 qf由公式(1-1)决定；

16、s2013.所述辐射热整流器件对热流的调控能力称作热整流比 r，由公式(1-2)表示：

17、；

18、即热整流比 r越大，辐射热整流器件对热流的调控能力就越强。

19、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比的辐射热整流器件的设计方法：1)首次结合热膨胀材料与热收缩材料的温度响应行为解决在低温差下利用近场热辐射效应的传统变间距辐射热整流器件的低辐射热通量对比度的难题；2)首次提出了通过降低反向温度偏置下辐射热通量从而提升辐射热整流器件的热整流比的设计方法，并在辐射器与接收器中引入不对称的金属屏蔽层结构与真空层结构从而抑制反向温度偏置下的辐射热通量，使热整流比实现数量级的提升；3)引入通过电压调制化学势从而改变物理性能的石墨烯二维材料，突破原有辐射热整流器件在优化调整方式上的限制，提高了动态调制的灵活性；4)本发明设计的辐射热整流器件的工作范围在室温(303.15k)附近，相比传统辐射热整流器件所需的数百开尔文的温度偏置条件，具备更广阔的应用场景，提高了器件的实用性与应用潜力。

技术特征：

1.一种基于变间距近场热辐射效应的辐射热整流器件，其特征是：包括辐射器与接收器，所述辐射器与接收器之间具有可调间隙；

2.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：

3.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：所述的辐射层采用支持红外波段极化激元的材料。

4.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：所述的热膨胀材料层采用柔性高热膨胀系数聚合物材料。

5.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：所述的金属屏蔽层7为单一材料构成的连续薄层，或者具有纳米结构的薄层。

6.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：所述的热收缩材料层8的材料采用具有高的负热膨胀系数的柔性聚合物材料。

7.根据权利要求1所述的辐射热整流器件，其特征是：所述可调间隙调节范围为5nm~5μm。

8.一种利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比的根据权利要求1-7任一项所述的辐射热整流器件的设计方法，其特征是：包括：

9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征是：

10.根据权利要求8所述的设计方法，其特征是：

技术总结本发明公开一种基于变间距近场热辐射效应的辐射热整流器件及设计方法。辐射热整流器件，包括辐射器与接收器，所述辐射器与接收器之间具有可调间隙；辐射器依次包括辐射层、真空层、热膨胀材料层；接收器依次包括接收层、金属屏蔽层、热收缩材料层；接收层的内部结构保持与辐射层的内部结构的镜像对称性；通过温度梯度调节辐射器接收器之间的间隙，利用近场热辐射对结构相关特征光谱匹配程度与间隙尺寸的敏感性，来调控辐射热整流器件的近场与远场条件下的辐射热通量，并以此调控热整流比。该发明利用变间距近场热辐射效应实现小温差大整流比辐射热整流器，适用于非接触式热二极管等光电子器件，具有高效、非接触、快速的辐射热流调控。技术研发人员：史可樟,邓衍受保护的技术使用者：浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心技术研发日：技术公布日：2024/7/23