一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管

本发明属于热调整器领域，具体涉及一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管。

背景技术：

日新月异的微/纳米技术极大地促进了能源转化设备、能源存储设备、电子元器件、机电系统、医疗器械等的高效微型化。在数字化、信息化高速发展的今天，以大规模集成芯片为代表的微/纳米技术产生的大量能量大部分被用于散热和冷却。其中的微纳米尺度的热流控制技术是现代技术在热管理、能量转换和基于热的信息处理方面的一个关键问题。近年来，由于热信息处理、纳米电子的热管理和热-电转换等方面的作用日益重要，与电流二极管操作类似的，用以操纵热流的热二极管作引起了人们极大的兴趣。在早期，由于理论和热实验的成熟，对热二极管的研究主要限于通过声子在纳米结构材料中的非互易热传导实现。但是，基于声子的热二极管可能会存在一些局限性，例如声子的传输速度比较低，并且不可避免地会存在局部的kapitza电阻，从而大大降低热二极管中的热流。然而，通过光子本身的无阻尼特性，这些限制可以很好地被基于辐射换热的光子热二极管克服。此外，当它们之间的距离小于或接近时，由于近场效应(包括极化子的激发和光子隧穿效应)，可以大大增强两个物体之间的辐射热传递，以此大幅度提高光子热二极管的整流比率。热整流系数即为qforward/qreverse-1，其中qforward代表正向热流，qreverse代表反向热流。

随着微尺度研究的深入，近年来学者发现材料与温度相关的介电函数和不对称纳米结构可以有效地引起近场辐射热整流。二氧化钒(vo2)是一种典型的热致变色介质，具有与温度相关的介电功能。它可以从341k以下的各向异性绝缘体(在红外区域支持若干声子激元)到341k以上的各向同性金属发生相变。将二氧化钒的热致相变特性应用于辐射换热中，通过二氧化钒低温下绝缘态声子激元介导的高发射特性和高温下金属态的低辐射特性，可以实现热流的方向性操控。但是，由于二氧化钒其较弱的声子激元强度和光子热二极管不对称结构限制，这些基于二氧化钒的声子激元热致变色能力所涉及的热整流器，热整流系数较低，整流效果差，并且其整流能力一旦设定则无法调整，缺乏主动的可调性。综上所述，这些不足之处将会严重限制基于二氧化钒热致色变特性的光子热二极管系统在微/纳米设备的应用前景。寻找一种兼具高效、可调的二氧化钒光子热二极管系统的科学问题也慢慢凸现出来，成为影响甚至是制约微/纳米设备热流操控技术发展和应用的关键因素。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有热二极管系统热整流系数较低，整流效果差，并且其整流能力一旦设定则无法调整，缺乏主动的可调性的技术问题，而提供一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管。

本发明的一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管由热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构构成，热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间具有真空间隙；所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构平行设置，所述热流反向端口复合异质结构由上至下依次为反向端基底、反向端热致色变层、反向端黑磷层；所述热流正向端口复合异质结构由上至下依次为正向端黑磷层、正向端内膜、正向端基底，所述反向端热致色变层为二氧化钒薄膜，所述正向端内膜为p型掺杂硅膜层。

进一步限定，所述反向端基底的材料cu薄膜。

进一步限定，所述正向端基底的材料为cu薄膜。

进一步限定，所述反向端热致色变层为二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜的相变温度为68℃。

进一步限定，所述反向端热致色变层通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于反向端基底表面。

进一步限定，所述反向端热致色变层的厚度为1000nm～10000nm。

进一步限定，所述反向端黑磷层为单原子层的黑磷，所述反向端黑磷层的厚度为0.437nm。

进一步限定，所述正向端黑磷层为单原子层的黑磷，所述正向端黑磷层的厚度为0.437nm。

进一步限定，所述反向端黑磷层和正向端黑磷层均是通过微机械剥离法形成单层黑磷层。

进一步限定，所述反向端黑磷层的电子浓度为1×10¹²cm^-2～1×10¹⁴cm^-2。

进一步限定，所述正向端黑磷层的电子浓度为1×10¹²cm^-2～1×10¹⁴cm^-2。

进一步限定，所述正向端内膜的p型掺杂硅膜层通过以下方式获得：通过高温扩散或离子注入的方式将三价元素铟掺杂到本征硅内部，形成p型掺杂硅膜层。

进一步限定，所述正向端内膜中三价元素铟的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-2～1×10¹⁹cm^-2。

进一步限定，所述正向端内膜通过磁控溅射、真空蒸发、溶胶-凝胶或脉冲激光沉积镀于正向端基底表面。

进一步限定，所述正向端内膜的厚度为1000nm～10000nm。

进一步限定，所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间的垂直间距为10nm～1000nm。

进一步限定，所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间能够水平机械旋转。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1)本发明提出的利用能够激发椭圆等离极化激元-声子极化激元的黑磷/二氧化钒复合异质结构构成的热流反向端口，利用能够激发椭圆等离极化激元-各向同性等离子极化激元的黑磷/掺杂硅复合异质结构构成的热流正向端口。利用椭圆等离极化激元与声子极化激元和各向同性等离子极化激元之间的杂化作用有效的缓解了热流正向流通时，二氧化钒和/掺杂硅之间的激元解耦效应，极大地提高系统正向导通状态下的辐射换热能力。同时，由于当系统处于反向关闭状态时，二氧化钒由绝缘态转变为金属态，此时黑磷与金属态二氧化钒之间的杂化效应较差，黑磷的加入并不会提升反向关闭状态时系统的辐射换热量。基于上述原因，由于黑磷的辅助作用，系统的整流系数得以极大的提高。

2)本发明提供高效非接触式热整流器，各部件均由平行薄膜制作，不存在诸如光栅等复杂的微结构，加工难度低，工艺流程简单，加工成本低。

3)原有的光子热二极管整流能力固定，整流系数无法根据实际需要灵活调控。本发明提出基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管，由于黑磷的本征各向异性，通过对正向端复合结构和反向端复合结构之间可以通过水平机械旋转，水平机械旋转可以通过保证固定正向端复合结构(或反向端复合结构)相对位置不变，通过对反向端复合结构(或正向端复合结构)施加机械扭转应力实现，从而对系统整流能力进行灵活调控，以适应不同环境下的热整流需求。

4)本发明的基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管中正向端复合结构和反向端复合结构之间的“间距”指的是垂直距离，该间距为“纳米量级”，得益于其纳米间距，二者之间的辐射换热能力可以突破黑体普朗克极限，极大地提高热二极管的热整流能力。

附图说明

图1为本发明基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管的结构图；1-反向端基底、2-反向端热致色变层、3-反向端黑磷层、4-正向端黑磷层、5-正向端内膜、6-正向端基底、7-真空间隙；

图2为图1中反向端黑磷层的结构图；

图3为实施例1和对比例1-3在不同真空间隙下热二极管的正向和反向整流比率变化曲线图；

图4为实施例1中热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构在不同机械旋转角度下整流比率曲线图。

具体实施方式

实施例1(参照图1)：本实施例的一种基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管由热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构构成，热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间具有真空间隙7；所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构平行设置，所述热流反向端口复合异质结构由上至下依次为反向端基底1、反向端热致色变层2、反向端黑磷层3；所述热流正向端口复合异质结构由上至下依次为正向端黑磷层4、正向端内膜5、正向端基底6，所述反向端热致色变层2为二氧化钒薄膜，所述正向端内膜5为p型掺杂硅膜层；

其中，当热流正向端口复合异质结构作为热源(600k)且热流反向端口复合异质结构作为冷源(300k)的时候，即热流从正向端口复合异质结构流向反向端口复合异质结构的时候，该光子热二极管处于正向导通状态，反之则为反向关闭状态；

所述反向端基底1和正向端基底6材料相同，均为cu薄膜；

所述反向端热致色变层2为二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜的相变温度为68℃，所述反向端热致色变层2通过磁控溅射镀于反向端基底1表面；所述反向端热致色变层2的厚度为1000nm；

所述反向端黑磷层3和正向端黑磷层4均为单原子层的黑磷，二者厚度相同，均为0.437nm，所述反向端黑磷层3和正向端黑磷层4均是通过微机械剥离法形成单层黑磷层，所述反向端黑磷层3和正向端黑磷层4的电子浓度相同，均为5×10¹³cm^-2；

所述正向端内膜5的p型掺杂硅膜层通过以下方式获得：通过高温扩散的方式将三价元素铟掺杂到本征硅内部，形成p型掺杂硅膜层；所述正向端内膜5中三价元素铟的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-2；所述正向端内膜5通过磁控溅射镀于正向端基底6表面，所述正向端内膜5的厚度为1000nm；

所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间的垂直间距为10nm～1000nm；

所述热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构之间通过施加外力实现水平机械旋转，具体是可以通过固定热流正向端口复合异质结构的位置不变，通过对热流反向端口复合异质结构施加机械扭转应力实现。

本实施例中构成反向端黑磷层3的示意图如图2所示，其中在本实施例中，系统初始状态为无机械旋转角度(起始角度为0°)，即代表热流正向端口复合异质结构的正向端黑磷层4和热流反向端口复合异质结构的反向端黑磷层3的扶手方向(armchair)保持一致，机械旋转角度代表热流正向端口复合异质结构的正向端黑磷层4和热流反向端口复合异质结构的反向端黑磷层3的扶手方向(armchair)之间的夹角。

对比例1：本实施例与实施例1不同的是：热流正向端口复合异质结构和热流反向端口复合异质结构均无黑磷层(vo2-si)。其他步骤及参数与实施例1相同。

对比例2：本实施例与实施例1不同的是：热流正向端口复合异质结构存在黑磷层，热流反向端口复合异质结构无黑磷层(vo2/bp-si)。其他步骤及参数与实施例1相同。

对比例3：本实施例与实施例1不同的是：热流正向端口复合异质结构无黑磷层，热流反向端口复合异质结构存在黑磷层(vo2-bp/si)。其他步骤及参数与实施例1相同。

从图3可以看出，本申请实施例1的基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管相比对比例1-3能够极大地增强该系统的热整流系数，这种显著的增强在反向端黑磷层3和正向端黑磷层4之间的真空间隙为10nm的时候尤为显著，可以看到此时本发明提出的高效非接触光子热二极管的理论热整流系数可以接近8.5，即相较于正向温度梯度下热流而言，反向温度梯度下的热流仅有正向温度梯度下的百分之十左右。这种较高的热整流能力远远超过了无黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管的热整流能力。

原有的光子热二极管整流能力固定，整流系数无法根据实际需要灵活调控。本发明提出基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管，由于黑磷的本征各向异性，通过对正向端复合结构和反向端复合结构之间可以通过水平机械旋转，对系统整流能力进行灵活调控，以适应不同环境下的热整流需求。从图4可以看出，随着机械旋转角度从0°旋转到90°的时候，本发明提出的光子热二极管的热整流系数可以灵活地从8.5调节至4.4，以此适应不同工作环境下对热二极管的参数需求，从而实现了对微/纳米设备热流的灵活操控；其中起始角度为0°代表热流正向端口复合异质结构的正向端黑磷层4和热流反向端口复合异质结构的反向端黑磷层3的扶手方向(armchair)保持一致，机械旋转角度代表热流正向端口复合异质结构的正向端黑磷层4和热流反向端口复合异质结构的反向端黑磷层3的扶手方向(armchair)之间的夹角。

综上，本发明提供的这一基于黑磷辅助的二氧化钒/掺杂硅组合的高效非接触光子热二极管，利用黑磷的椭圆等离极化激元与声子极化激元和各向同性等离子极化激元之间的杂化作用有效的缓解了热流正向流通时二氧化钒和/掺杂硅之间的激元解耦效应，极大地提高了系统的热整流能力。同时，基于黑磷的本征各向异性，通过对正向端复合结构和反向端复合结构之间的水平机械旋转，对系统整流能力进行灵活调控，从而适应不同环境下的热整流需求。本发明的多级热逻辑开关具有无功耗、无运动部件、轻质等优点，尤其适用于各类微小热电路中。