微结构表面红外热辐射特性调控方法研究

发布时间：2017-10-16 04:18

  本文关键词：微结构表面红外热辐射特性调控方法研究

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【摘要】：近几十年来,电子器件及其设备的迅速发展提出了一系列微/纳尺度的热科学问题,例如,电子器件散热、红外热辐射器、可再生能源的高效利用和航天器热控制等都包含了微/纳尺度的热辐射基本现象,认识、了解、利用和控制其中的热辐射能量传输过程对于这些技术的发展、完善和应用至关重要。在过去几十年的发展中,研究人员总结出了一系列的微结构与电磁波之间的耦合作用机理,主要有表面等离子激元、表面声子激元、微腔谐振效应、Fabry-Perot共振、光子禁带效应、光子隧道效应等等,这极大地促进了微尺度热辐射控制技术的不断发展。进一步开展微结构表面与电磁波耦合作用机理研究,有助于加深人们对微尺度热辐射控制技术的认知,能够促进微尺度热辐射控制技术的工程应用。本文以微结构表面的红外热辐射控制特性为主要研究对象,同时开展热辐射控制特性应用方面的研究。本文的主要工作包括以下几个方面：1.圆形微腔阵列的窄带热辐射特性研究窄带热辐射器在热成像、传感器、生物工程、环境监控以及能量转换等方面都有着重要的应用。目前为止,获得窄带热辐射器主要是基于表面等离子激元和Fabry-Perot共振这两种机理。利用表面等离子激元和Fabry-Perot共振获得的窄带热辐射器的辐射峰的位置是角度相关的。也就是说,观察角不同,辐射器的辐射峰会现在不同的位置。因此,这种辐射器不能够同时拥有以下两个特性：首先,辐射器在同一个波长位置在所有的方向上都具有高发射率；其次,通过结构设计可以调控辐射峰的位置。基于微腔谐振效应,我们提出一种由周期性微腔阵列构成的Ag/Si结构化表面,这种结构用作窄带热辐射器可以同时兼有以上两种特性。文中,利用光刻技术加工制作了窄带辐射器样品,研究了结构尺寸与加工工艺的关系,用扫描电镜表征了其结构特征。利用光谱仪测试了样品的光谱特性,并与数值模拟结果进行对比。此外,还研究了发射率光谱的方向特性。2.光栅耦合的热致变色材料表面热辐射特性研究钙钛矿型锰氧化物(Lao.875Sr0.i25MnO3,LSMO)是一种典型的热致变色材料。这种材料的发射率会在居里温度附近发生跃变,在低于居里温度的时候呈现较低地的发射率,高于居里温度的时候呈现较高的发射率。从材料形貌的角度,将一维光栅结构引入热致变色LSMO的特性研究,提出一种改善热致变色性能的新的途径。计算了不同结构参数下的光栅表面LSMO的光谱分布,并从微腔谐振效应的角度分析产生这种光谱特性的原因。然后分别计算光栅结构表面LSMO和光滑表面LSMO的平均发射率随温度的变化特性,并比较两者的热致变色性能。为了实现降低材料消耗的目的,将一维金属/电介质光栅引入薄膜热致变色材料LSMO中,利用热致变色材料和光栅之间的耦合作用,实现了在保证材料的热致变色性能不降低的前提下减少热致变色材料的耗材。3.“渔网”微结构的红外负折射率特性研究金属／电介质／金属渔网结构是一种典型的超材料结构。这种超材料结构可以实现等效的负折射率特性,关于其实现负折射率的物理机理尚有争议。本文采取利用散射参数反算电磁参数的方式,获得Ag/MgF2/Ag渔网结构超材料的等效电磁参数,并从SPPs激发的角度来分析产生负折射率的原因。实现折射率可调的负折射率材料对扩展其应用具有重要的意义。本文将热致变色材料LSMO和Ag/MgF2/Ag渔网结构相结合构成LSMO/Ag/MgF2/Ag超材料,利用热致变色功能以及“渔网”结构的负折射特性的耦合作用,实现了有效折射率随着温度的变化而自动调节的特性。4.周期性微结构的多波段兼容隐身研究实现多波段的兼容隐身技术对提高军事目标的生存本领具有重要的意义。微结构的光谱特性控制作用可以在多个波段对电磁波进行有效控制,这一点是宏观结构无法实现的。本文首先从电介质／金属／电介质对称膜堆结构入手,合理选择结构参数,以实现可见光和红外兼容的光谱特性控制,并尝试着从Fabry-Perot共振等角度来解释出现这种光谱特性的原因。然后在膜堆结构中引入周期性阵列孔,在维持原有的可见光和红外光谱特性的基础上,同时能够实现了对10.6μm激光波长的兼容控制。5.微尺度近场热辐射的热整流研究热整流是热流偏向于一个特定方向传递的现象,即热流偏向于沿着一个方向传递,而在同样的温差下沿着反方向传递的热流相对很小。这在纳米尺度热管理等方面有着潜在的应用。早前的报道主要是通过导热或对流来实现热整流。目前为止,很少有利用微尺度近场热辐射来实现热整流的报道。本文尝试着利用V02和LCSMO的热致变色特性通过微尺度近场热辐射来实现热整流。首先讨论构成热整流结构的两块半无限大平板均为均质损耗材料时的换热情况,仔细分析了影响近场热辐射换热的几个因素,包括两板之间的间距的影响、折射率的实部和虚部的影响、表面激元的影响,以搞清楚近场热辐射的换热机理。然后研究热致变色材料VO2和LCSMO构成的热整流结构的热整流效果,并从表面声子激元和光子隧道效应的角度对导致热整流的原因进行了详细分析。
【关键词】：周期性 微结构 红外辐射 光谱 热致变色材料 近场 倏逝波
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN219
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 主要符号及单位表13-15
• 1 绪论15-32
• 1.1 研究背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-29
• 1.2.1 微结构热辐射控制技术的应用研究现状17-21
• 1.2.2 微结构的电磁耦合机理研究现状21-29
• 1.3 本文研究内容29-32
• 2 微结构表面热辐射换热的研究方法32-45
• 2.1 微结构表面热辐射能量的表示方法及基本定律32-34
• 2.2 微结构表面热辐射换热的数值计算方法34-36
• 2.2.1 FEM方法34-35
• 2.2.2 RCWA方法35
• 2.2.3 FDTD方法35-36
• 2.3 时域有限差分方法(FDTD)36-44
• 2.3.1 FDTD基本原理36-39
• 2.3.2 激励源的设置39-41
• 2.3.3 边界条件的处理41-42
• 2.3.4 斜入射情形的处理42-43
• 2.3.5 色散媒质的处理43-44
• 2.4 本章小结44-45
• 3 圆形微腔阵列的窄带热辐射特性研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 窄带辐射器的结构模型45-46
• 3.3 圆柱形谐振腔的共振波长46-48
• 3.4 窄带热辐射结构表面的实验加工流程48-52
• 3.4.1 光刻技术48-51
• 3.4.2 反应离子刻蚀51-52
• 3.4.3 磁控溅射镀膜52
• 3.5 窄带辐射特性的实验结果分析52-57
• 3.5.1 结构尺寸与刻蚀时间之间的关系52-54
• 3.5.2 窄带热辐射特性的实验验证54-56
• 3.5.3 不同结构尺寸的特性比较56
• 3.5.4 不同角度下的发射率56-57
• 3.6 本章小结57-59
• 4 光栅耦合的热致变色材料表面热辐射特性研究59-77
• 4.1 引言59-60
• 4.2 热致变色La_(0.825)Sr_(0.175)MnO_3的光学参数60-63
• 4.3 表面光栅耦合的块体LSMO热致变色性能63-68
• 4.3.1 具有光栅表面的块体LSMO模型63-64
• 4.3.2 光栅深度的影响64-66
• 4.3.3 填充因子的影响66-67
• 4.3.4 热致变色性能比较67-68
• 4.4 背面光栅耦合的薄膜LSMO热致变色性能68-76
• 4.4.1 计算模型68-69
• 4.4.2 Case 2的光谱发射率69-71
• 4.4.3 Case 3的光谱发射率71-73
• 4.4.4 Case 4的光谱发射率73-74
• 4.4.5 入射角对发射率的影响74-75
• 4.4.6 热致变色性能比较75-76
• 4.5 本章小结76-77
• 5 渔网微结构的红外负折射率特性研究77-93
• 5.1 引言77
• 5.2 渔网结构的负折射率特性77-86
• 5.2.1 渔网结构超材料模型77-78
• 5.2.2 反算折射率等电磁参数78-81
• 5.2.3 Ag/MgF_2/Ag渔网结构的负折射率特性81-86
• 5.3 渔网结构热致变色超材料的负折射率特性86-91
• 5.3.1 渔网结构热致变色超材料模型86-87
• 5.3.2 负折射率随温度的变化87-88
• 5.3.3 负折射率随结构尺寸的变化88-91
• 5.4 本章小结91-93
• 6 周期性微结构的多波段兼容隐身研究93-102
• 6.1 引言93
• 6.2 ZnS/Ag/ZnS对称膜堆的光谱特性93-99
• 6.2.1 ZnS/Ag/ZnS对称膜堆结构模型94
• 6.2.2 利用传输矩阵法计算ZnS/Ag/ZnS对称膜堆结构的光谱特性94-96
• 6.2.3 ZnS/Ag/ZnS对称膜堆结构的光谱特性的机理解释96-99
• 6.3 具有周期性阵列孔的ZnS/Ag/ZnS对称膜堆的光谱特性99-101
• 6.3.1 具有周期性阵列孔的ZnS/Ag/ZnS对称膜堆结构模型99
• 6.3.2 具有周期性阵列孔的ZnS/Ag/ZnS对称膜堆结构的光谱特性99-101
• 6.4 本章小结101-102
• 7 微尺度近场热辐射的热整流研究102-119
• 7.1 引言102-103
• 7.2 热整流结构模型及波动耗散理论103-105
• 7.2.1 热整流结构模型103-104
• 7.2.2 波动耗散理论104-105
• 7.3 影响近场热辐射换热的几个主要因素105-111
• 7.3.1 两板之间的间距对热辐射换热的影响105-106
• 7.3.2 折射率的实部对热辐射换热的影响106-107
• 7.3.3 折射率的虚部对热辐射换热的影响107
• 7.3.4 表面激元对热辐射换热的影响107-111
• 7.4 均质损耗媒质和VO_2构成的热整流结构的热整流特性111-115
• 7.5 LCMSO和VO_2构成的热整流结构的热整流特性115-117
• 7.6 本章小结117-119
• 8 结束语119-123
• 8.1 主要研究结论119-121
• 8.2 主要创新点121-122
• 8.3 下一步研究展望122-123
• 致谢123-124
• 攻读博士学位期间已发表的相关论文124-126
• 参考文献126-141

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 史旭明;张军;许仲梓;;隐身材料的研究进展[J];材料导报;2007年S1期

2 刘小宇;马文全;张艳华;霍永恒;种明;陈良惠;;10—14μm同时响应的双色量子阱红外探测器[J];物理学报;2010年08期

3 王自荣,孙晓泉,余大斌;多波段隐身兼容中的几个矛盾问题的分析[J];现代防御技术;2004年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李庆斌;热致变色功能材料辐射特性及影响因素分析[D];南京理工大学;2009年

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本文编号：1040565