一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件

本发明涉及辐射制冷器件，尤其是涉及在大气透明窗口(8-13um)具有宽带广角高发射率，在夜间具有高辐射制冷功率的一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件。

背景技术：

1、辐射制冷主要通过物体自身的辐射来实现温度的降低。宇宙为辐射制冷的实现提供了一个温度非常低的理想冷源。物体一方面通过反射表面的太阳光来避免自身温度的升高，另一方面也可通过8～13um的大气窗口将热量传递到外太空进行辐射热交换,从而实现辐射制冷。这一尖端技术建立在功能材料光学调节的原理上，利用热辐射将热量散布到宇宙中，是一种极其节能、无噪音和绿色环保的优质制冷方式，在包括空间应用和工业生产在内的多个领域具有广泛的应用前景。

2、为了实现的辐射冷却，许多研究人员做出了重要贡献，探索了不同的技术方法，例如：基于多层介质光子结构，raman等最先将多层薄膜辐射冷却材料用作辐射冷却降温，设计了由7种厚度不同的二氧化铪与二氧化硅薄膜交替沉积在银片上组成辐射冷却材料，在8-13um的大气透明窗口波段有着很强的发射率，并通过实验测得该结构与周围环境温度相同的情况下有着约40.1w/m2的净制冷功率。基于多层聚合物光子结构，利用聚合物与金属反射基片结合制备辐射冷却器，kou等利用10um聚二甲基硅氧烷(pdms)作为顶层，并将银层作为底层反射器在高真空环境下使用电子束蒸发法沉积双层涂层，成功制备出结构简单的聚合物材料，性能测试表明，在26℃的环境温度下，该材料的净冷却功率为127w/m2，但是聚合物材料本身存在的最大问题在于在室外环境中容易降解而失效。基于超材料微纳光子结构，与自然材料不同，超材料主要在实验室中制备，其性质由人工结构决定；因此可以通过对其内部宏观结构进行周期性的调整从而获得某些特殊的电磁特性，如锥形超材料、梯度超表面和多细胞超材料等被提出用于辐射制冷，hossain等首先提出并制造了由铝层与铬层交替组成的圆锥形且各向异性的超材料结构，这些圆锥形超材料柱形结构在环境温度下具有高达116.6w/m2的极高冷却功率；然而多尺度模式形成的超材料结构复杂，工艺制备困难，限制了其进一步的应用。

3、相比于超材料与聚合物，多层薄膜辐射冷却材料因为其大面积易加工的特点，在辐射冷却的实际应用领域拥有更大的发展潜力。研究表明，一维光子晶体边带具备宽带广角特性，我们利用该条件来设计红外宽带高发射率的辐射制冷器件。通过堆叠不同类型薄膜扩大光谱吸收带范围，获得更为优异的发射光谱。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有辐射制冷技术的不足，提出一种实现宽带广角、制冷高效、利于大规模生产的多层薄膜辐射制冷器件。

2、本发明提出的多层薄型辐射制冷器件，从上至下依次设有阻抗匹配层、高损耗金属钛层、一维光子晶体、相位补偿层、均匀光厚反射式薄膜、支撑衬底层；所述阻抗匹配层和高损耗金属钛层用于激发宽带响应并提高吸收率，所述一维光子晶体用于产生宽带广角反射边带，所述相位补偿层用于控制传播相位的变化，所述均匀光厚反射式薄膜用于耦合形成吸收宽带，提高选择吸收性及吸收效率且不影响热稳定性，综上形成大气透明窗口的宽带广角吸收特性。

3、所述阻抗匹配层采用红外透明介电材料制备，红外透明介电材料的实部n均为大于0的实数，虚部n均为0，均为无损介质，其厚度为550～800nm，折射率为2.5～4。

4、所述高损耗金属钛层具有宽带红外吸收特性，厚度为40～140nm。

5、所述一维光子晶体由单元晶格堆垒构成，所述单元晶格为一层高折射率的红外透明介电材料薄膜和一层低折射率的红外透明介电材料薄膜构成，其单元晶格厚度为300～400nm，数量为5～7个。

6、所述相位补偿层采用红外透明介电材料制备，厚度为100～250nm，折射率为1～5。

7、所述均匀光厚反射式薄膜选用共振吸收峰可以灵活控制的贵金属、理化性质稳定、反射率高材料制备，例如ag、au、al、cu等材料，厚度大于100nm。

8、本发明的工作原理是：利用光子晶体的边带实现宽带广角高反射，利用高损耗金属钛层和阻抗匹配层激发宽带响应并提高吸收率，利用相位补偿层和均匀光厚反射式薄膜控制传播相位的变化，形成大气透明窗口的宽带广角吸收特性，从而实现被动辐射制冷功能。

9、与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

10、1、本发明提出的多层薄膜辐射制冷器件，与此前的器件相比，在工作波段(8～13um)总体具备较高的平均吸收率，且在其他波段具备较高的反射率，该吸收器在0°～50°入射角范围内一直保持90％以上的高吸收特性，超过50°时平均吸收率随着角度的增加缓慢减小，但总体仍保持较高的平均吸收率。具备宽带广角吸收特性，在辐射制冷方向具有较大的应用潜力。

11、2、本发明提出的多层薄膜辐射制冷器件有良好偏振无关性，在不同偏振光入射时，吸收特性有轻微差异，但是都具有良好的性能。角度对te偏振光入射的影响略大于tm偏振光入射；但在te偏振光入射情况下，0～60°仍能够达到80％以上的平均吸收率。

12、3、本发明提出的多层薄膜辐射制冷器件所需材料都为常规材料，易于实现。结构简单，可无光刻大面积制备，避免复杂的微纳工艺，有助于提高制备效率、降低制备成本。

13、4、本发明提出的多层薄膜辐射制冷器件可在大气透明窗口实现高发射率，可用于辐射制冷器件，实现高功率夜间辐射制冷。

技术特征：

1.一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于其从上至下依次设有阻抗匹配层、高损耗金属钛层、一维光子晶体、相位补偿层、均匀光厚反射式薄膜、支撑衬底层；所述阻抗匹配层和高损耗金属钛层用于激发宽带响应并提高吸收率，所述一维光子晶体用于产生宽带广角反射边带，所述相位补偿层用于控制传播相位的变化，所述均匀光厚反射式薄膜用于耦合形成吸收宽带，提高选择吸收性及吸收效率且不影响热稳定性，形成大气透明窗口的宽带广角吸收特性，从而实现被动辐射制冷。

2.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述阻抗匹配层采用在红外透明介电材料制备，红外透明介电材料的实部n均为大于0的实数，虚部k均为0，均为无损介质，其厚度为550～800nm，折射率为2.5～4。

3.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述高损耗金属钛层具有宽带红外高吸收特性，厚度为40～140nm。

4.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述一维光子晶体由若干单元晶格堆垒构成，所述单元晶格为一层高折射率的红外透明介电材料薄膜和一层低折射率的红外透明介电材料薄膜构成，其单元晶格厚度为300～400nm，数量为5～7个。

5.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述相位补偿层采用红外透明介电材料制备，厚度为100～250nm，折射率为1～5。

6.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述均匀光厚反射式薄膜选用共振吸收峰可以灵活控制的贵金属、理化性质稳定、反射率高材料制备。

7.如权利要求1所述一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，其特征在于所述均匀光厚反射式薄膜采用ag、au、al、cu，厚度大于100nm。

技术总结
一种基于光子晶体边带的多层薄膜辐射制冷器件，涉及辐射制冷器件。多层薄膜从上至下依次设有阻抗匹配层、高损耗金属钛层、一维光子晶体、相位补偿层、均匀光厚反射式薄膜、支撑衬底层：所述一维光子晶体为高低折射率交替的红外透明介电材料构成；利用光子晶体的边带实现宽带广角高反射，利用高损耗金属钛层和阻抗匹配层激发宽带响应并提高吸收率，利用相位补偿层控制传播相位的变化，形成大气透明窗口的宽带广角吸收特性，从而实现被动辐射制冷功能。相较于其他，本发明既可无光刻大面积制作，又具备高辐射制冷功率。

技术研发人员：蔡国雄,刘蓉,万鹏伟,刘娜
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/8