本文關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)表面紅外熱輻射特性調(diào)控方法研究

  更多相關(guān)文章： 周期性 微結(jié)構(gòu) 紅外輻射 光譜 熱致變色材料 近場 倏逝波

【摘要】：近幾十年來,電子器件及其設(shè)備的迅速發(fā)展提出了一系列微/納尺度的熱科學(xué)問題,例如,電子器件散熱、紅外熱輻射器、可再生能源的高效利用和航天器熱控制等都包含了微/納尺度的熱輻射基本現(xiàn)象,認識、了解、利用和控制其中的熱輻射能量傳輸過程對于這些技術(shù)的發(fā)展、完善和應(yīng)用至關(guān)重要。在過去幾十年的發(fā)展中,研究人員總結(jié)出了一系列的微結(jié)構(gòu)與電磁波之間的耦合作用機理,主要有表面等離子激元、表面聲子激元、微腔諧振效應(yīng)、Fabry-Perot共振、光子禁帶效應(yīng)、光子隧道效應(yīng)等等,這極大地促進了微尺度熱輻射控制技術(shù)的不斷發(fā)展。進一步開展微結(jié)構(gòu)表面與電磁波耦合作用機理研究,有助于加深人們對微尺度熱輻射控制技術(shù)的認知,能夠促進微尺度熱輻射控制技術(shù)的工程應(yīng)用。本文以微結(jié)構(gòu)表面的紅外熱輻射控制特性為主要研究對象,同時開展熱輻射控制特性應(yīng)用方面的研究。本文的主要工作包括以下幾個方面：1.圓形微腔陣列的窄帶熱輻射特性研究窄帶熱輻射器在熱成像、傳感器、生物工程、環(huán)境監(jiān)控以及能量轉(zhuǎn)換等方面都有著重要的應(yīng)用。目前為止,獲得窄帶熱輻射器主要是基于表面等離子激元和Fabry-Perot共振這兩種機理。利用表面等離子激元和Fabry-Perot共振獲得的窄帶熱輻射器的輻射峰的位置是角度相關(guān)的。也就是說,觀察角不同,輻射器的輻射峰會現(xiàn)在不同的位置。因此,這種輻射器不能夠同時擁有以下兩個特性：首先,輻射器在同一個波長位置在所有的方向上都具有高發(fā)射率；其次,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以調(diào)控輻射峰的位置�；谖⑶恢C振效應(yīng),我們提出一種由周期性微腔陣列構(gòu)成的Ag/Si結(jié)構(gòu)化表面,這種結(jié)構(gòu)用作窄帶熱輻射器可以同時兼有以上兩種特性。文中,利用光刻技術(shù)加工制作了窄帶輻射器樣品,研究了結(jié)構(gòu)尺寸與加工工藝的關(guān)系,用掃描電鏡表征了其結(jié)構(gòu)特征。利用光譜儀測試了樣品的光譜特性,并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。此外,還研究了發(fā)射率光譜的方向特性。2.光柵耦合的熱致變色材料表面熱輻射特性研究鈣鈦礦型錳氧化物(Lao.875Sr0.i25MnO3,LSMO)是一種典型的熱致變色材料。這種材料的發(fā)射率會在居里溫度附近發(fā)生躍變,在低于居里溫度的時候呈現(xiàn)較低地的發(fā)射率,高于居里溫度的時候呈現(xiàn)較高的發(fā)射率。從材料形貌的角度,將一維光柵結(jié)構(gòu)引入熱致變色LSMO的特性研究,提出一種改善熱致變色性能的新的途徑。計算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的光柵表面LSMO的光譜分布,并從微腔諧振效應(yīng)的角度分析產(chǎn)生這種光譜特性的原因。然后分別計算光柵結(jié)構(gòu)表面LSMO和光滑表面LSMO的平均發(fā)射率隨溫度的變化特性,并比較兩者的熱致變色性能。為了實現(xiàn)降低材料消耗的目的,將一維金屬/電介質(zhì)光柵引入薄膜熱致變色材料LSMO中,利用熱致變色材料和光柵之間的耦合作用,實現(xiàn)了在保證材料的熱致變色性能不降低的前提下減少熱致變色材料的耗材。3.“漁網(wǎng)”微結(jié)構(gòu)的紅外負折射率特性研究金屬／電介質(zhì)／金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種典型的超材料結(jié)構(gòu)。這種超材料結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)等效的負折射率特性,關(guān)于其實現(xiàn)負折射率的物理機理尚有爭議。本文采取利用散射參數(shù)反算電磁參數(shù)的方式,獲得Ag/MgF2/Ag漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)超材料的等效電磁參數(shù),并從SPPs激發(fā)的角度來分析產(chǎn)生負折射率的原因。實現(xiàn)折射率可調(diào)的負折射率材料對擴展其應(yīng)用具有重要的意義。本文將熱致變色材料LSMO和Ag/MgF2/Ag漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成LSMO/Ag/MgF2/Ag超材料,利用熱致變色功能以及“漁網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的負折射特性的耦合作用,實現(xiàn)了有效折射率隨著溫度的變化而自動調(diào)節(jié)的特性。4.周期性微結(jié)構(gòu)的多波段兼容隱身研究實現(xiàn)多波段的兼容隱身技術(shù)對提高軍事目標的生存本領(lǐng)具有重要的意義。微結(jié)構(gòu)的光譜特性控制作用可以在多個波段對電磁波進行有效控制,這一點是宏觀結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)的。本文首先從電介質(zhì)／金屬／電介質(zhì)對稱膜堆結(jié)構(gòu)入手,合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù),以實現(xiàn)可見光和紅外兼容的光譜特性控制,并嘗試著從Fabry-Perot共振等角度來解釋出現(xiàn)這種光譜特性的原因。然后在膜堆結(jié)構(gòu)中引入周期性陣列孔,在維持原有的可見光和紅外光譜特性的基礎(chǔ)上,同時能夠?qū)崿F(xiàn)了對10.6μm激光波長的兼容控制。5.微尺度近場熱輻射的熱整流研究熱整流是熱流偏向于一個特定方向傳遞的現(xiàn)象,即熱流偏向于沿著一個方向傳遞,而在同樣的溫差下沿著反方向傳遞的熱流相對很小。這在納米尺度熱管理等方面有著潛在的應(yīng)用。早前的報道主要是通過導(dǎo)熱或?qū)α鱽韺崿F(xiàn)熱整流。目前為止,很少有利用微尺度近場熱輻射來實現(xiàn)熱整流的報道。本文嘗試著利用V02和LCSMO的熱致變色特性通過微尺度近場熱輻射來實現(xiàn)熱整流。首先討論構(gòu)成熱整流結(jié)構(gòu)的兩塊半無限大平板均為均質(zhì)損耗材料時的換熱情況,仔細分析了影響近場熱輻射換熱的幾個因素,包括兩板之間的間距的影響、折射率的實部和虛部的影響、表面激元的影響,以搞清楚近場熱輻射的換熱機理。然后研究熱致變色材料VO2和LCSMO構(gòu)成的熱整流結(jié)構(gòu)的熱整流效果,并從表面聲子激元和光子隧道效應(yīng)的角度對導(dǎo)致熱整流的原因進行了詳細分析。
【關(guān)鍵詞】：周期性 微結(jié)構(gòu) 紅外輻射 光譜 熱致變色材料 近場 倏逝波
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN219
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 主要符號及單位表13-15
• 1 緒論15-32
• 1.1 研究背景及意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-29
• 1.2.1 微結(jié)構(gòu)熱輻射控制技術(shù)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 微結(jié)構(gòu)的電磁耦合機理研究現(xiàn)狀21-29
• 1.3 本文研究內(nèi)容29-32
• 2 微結(jié)構(gòu)表面熱輻射換熱的研究方法32-45
• 2.1 微結(jié)構(gòu)表面熱輻射能量的表示方法及基本定律32-34
• 2.2 微結(jié)構(gòu)表面熱輻射換熱的數(shù)值計算方法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 時域有限差分方法(FDTD)36-44
• 2.3.1 FDTD基本原理36-39
• 2.3.2 激勵源的設(shè)置39-41
• 2.3.3 邊界條件的處理41-42
• 2.3.4 斜入射情形的處理42-43
• 2.3.5 色散媒質(zhì)的處理43-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 3 圓形微腔陣列的窄帶熱輻射特性研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 窄帶輻射器的結(jié)構(gòu)模型45-46
• 3.3 圓柱形諧振腔的共振波長46-48
• 3.4 窄帶熱輻射結(jié)構(gòu)表面的實驗加工流程48-52
• 3.4.1 光刻技術(shù)48-51
• 3.4.2 反應(yīng)離子刻蝕51-52
• 3.4.3 磁控濺射鍍膜52
• 3.5 窄帶輻射特性的實驗結(jié)果分析52-57
• 3.5.1 結(jié)構(gòu)尺寸與刻蝕時間之間的關(guān)系52-54
• 3.5.2 窄帶熱輻射特性的實驗驗證54-56
• 3.5.3 不同結(jié)構(gòu)尺寸的特性比較56
• 3.5.4 不同角度下的發(fā)射率56-57
• 3.6 本章小結(jié)57-59
• 4 光柵耦合的熱致變色材料表面熱輻射特性研究59-77
• 4.1 引言59-60
• 4.2 熱致變色La_(0.825)Sr_(0.175)MnO_3的光學(xué)參數(shù)60-63
• 4.3 表面光柵耦合的塊體LSMO熱致變色性能63-68
• 4.3.1 具有光柵表面的塊體LSMO模型63-64
• 4.3.2 光柵深度的影響64-66
• 4.3.3 填充因子的影響66-67
• 4.3.4 熱致變色性能比較67-68
• 4.4 背面光柵耦合的薄膜LSMO熱致變色性能68-76
• 4.4.1 計算模型68-69
• 4.4.2 Case 2的光譜發(fā)射率69-71
• 4.4.3 Case 3的光譜發(fā)射率71-73
• 4.4.4 Case 4的光譜發(fā)射率73-74
• 4.4.5 入射角對發(fā)射率的影響74-75
• 4.4.6 熱致變色性能比較75-76
• 4.5 本章小結(jié)76-77
• 5 漁網(wǎng)微結(jié)構(gòu)的紅外負折射率特性研究77-93
• 5.1 引言77
• 5.2 漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的負折射率特性77-86
• 5.2.1 漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)超材料模型77-78
• 5.2.2 反算折射率等電磁參數(shù)78-81
• 5.2.3 Ag/MgF_2/Ag漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的負折射率特性81-86
• 5.3 漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)熱致變色超材料的負折射率特性86-91
• 5.3.1 漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)熱致變色超材料模型86-87
• 5.3.2 負折射率隨溫度的變化87-88
• 5.3.3 負折射率隨結(jié)構(gòu)尺寸的變化88-91
• 5.4 本章小結(jié)91-93
• 6 周期性微結(jié)構(gòu)的多波段兼容隱身研究93-102
• 6.1 引言93
• 6.2 ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆的光譜特性93-99
• 6.2.1 ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆結(jié)構(gòu)模型94
• 6.2.2 利用傳輸矩陣法計算ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆結(jié)構(gòu)的光譜特性94-96
• 6.2.3 ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆結(jié)構(gòu)的光譜特性的機理解釋96-99
• 6.3 具有周期性陣列孔的ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆的光譜特性99-101
• 6.3.1 具有周期性陣列孔的ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆結(jié)構(gòu)模型99
• 6.3.2 具有周期性陣列孔的ZnS/Ag/ZnS對稱膜堆結(jié)構(gòu)的光譜特性99-101
• 6.4 本章小結(jié)101-102
• 7 微尺度近場熱輻射的熱整流研究102-119
• 7.1 引言102-103
• 7.2 熱整流結(jié)構(gòu)模型及波動耗散理論103-105
• 7.2.1 熱整流結(jié)構(gòu)模型103-104
• 7.2.2 波動耗散理論104-105
• 7.3 影響近場熱輻射換熱的幾個主要因素105-111
• 7.3.1 兩板之間的間距對熱輻射換熱的影響105-106
• 7.3.2 折射率的實部對熱輻射換熱的影響106-107
• 7.3.3 折射率的虛部對熱輻射換熱的影響107
• 7.3.4 表面激元對熱輻射換熱的影響107-111
• 7.4 均質(zhì)損耗媒質(zhì)和VO_2構(gòu)成的熱整流結(jié)構(gòu)的熱整流特性111-115
• 7.5 LCMSO和VO_2構(gòu)成的熱整流結(jié)構(gòu)的熱整流特性115-117
• 7.6 本章小結(jié)117-119
• 8 結(jié)束語119-123
• 8.1 主要研究結(jié)論119-121
• 8.2 主要創(chuàng)新點121-122
• 8.3 下一步研究展望122-123
• 致謝123-124
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表的相關(guān)論文124-126
• 參考文獻126-141

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 史旭明;張軍;許仲梓;;隱身材料的研究進展[J];材料導(dǎo)報;2007年S1期

2 劉小宇;馬文全;張艷華;霍永恒;種明;陳良惠;;10—14μm同時響應(yīng)的雙色量子阱紅外探測器[J];物理學(xué)報;2010年08期

3 王自榮,孫曉泉,余大斌;多波段隱身兼容中的幾個矛盾問題的分析[J];現(xiàn)代防御技術(shù);2004年06期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李慶斌;熱致變色功能材料輻射特性及影響因素分析[D];南京理工大學(xué);2009年

，

本文編號：1040565