[论文解读] Switchable thermal antenna by phase transition

Philippe Ben‐Abdallah, H. Benisty+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 26被引用 10

一句话总结

本文提出一种可切换的热天线，利用二氧化钒（VO2）的局域相变实现红外辐射的主动调控。通过电激励VO2图案中的金属-绝缘体转变，天线可在非辐射（晶态）与高度定向辐射（光栅增强的非晶-晶态混合态）之间切换，借助可调谐表面声子极化激元和衍射效应实现开关控制与波束转向。

ABSTRACT

We introduce a thermal antenna which can be actively switched by phase transition. The source makes use of periodically patterned vanadium dioxide, a metal-insulator phase transition material which supports a surface phonon-polariton (SPP) in the infrared range in its crystalline phase. Using electrodes properly registred with respect to the pattern, the phase transition of VO2 can be localy triggered within few microseconds and the SPP can be diffracted making the thermal emission highly directionnal. This switchable antenna could find broad applications in the domain of active thermal coatings or in those of infrared spectroscopy and sensing.

研究动机与目标

• 开发一种无机械部件的热激活可切换红外天线。
• 通过实现动态调控克服现有热天线固定辐射图案的局限性。
• 利用VO2在金属-绝缘体转变过程中表现出的显著光学对比度，实现主动发射调制。
• 通过由局域相变形成的工程化表面光栅，实现波束方向性和开关切换。
• 通过电可寻址、亚微秒级切换，实现热涂层、红外传感与光谱学的实际应用。

提出的方法

• 采用临界温度为340 K的二氧化钒（VO2）作为相变材料，可在晶态（绝缘）与非晶态（金属）之间转变。
• 通过图案化电极网络实现对VO2中相变的局域触发，形成空间调制的光栅结构。
• 依赖于晶态中表面声子极化激元（SPP）的形成，当被诱导光栅衍射时，可支持强而定向的辐射。
• 应用基尔霍夫定律（发射率 = 1 - 反射率）从结构表面的反射系数计算发射率。
• 利用布喇格衍射条件 $ K_j = \frac{2\pi}{\lambda} \sin\theta + \frac{2\pi}{P}j $ 通过调节光栅周期 $ P $ 控制辐射方向。
• 在基底与VO2之间引入20 nm厚的二氧化硅热绝缘层，以防止非预期相变并管理热串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无机械运动的情况下，主动将热天线在非辐射与高度定向辐射状态之间切换？
• RQ2 VO2中的相变如何实现对热辐射方向性和强度的调控？
• RQ3 通过调控相位调制光栅的周期性，发射波束角度可调节到何种程度？
• RQ4 有限尺寸效应对微米尺度器件的波束质量有何影响，以及其对性能的影响如何？
• RQ5 该系统能否实现亚微秒级切换速度，适用于实时应用？

主要发现

• VO2基天线在混合（晶态-非晶态）光栅状态下发射率接近单位值，表明具有强而定向的辐射特性。
• 在完全晶态下，由于SPP强烈受限且反射率高，发射率极低，导致热辐射被抑制。
• 通过将光栅周期从4.5 μm调节至5.4 μm，辐射主瓣方向偏移约50 mrad，证明了主动波束转向能力。
• 通过局域相变实现热辐射的开关控制，切换时间在微秒量级。
• 当器件尺寸小于约100 μm时，有限尺寸效应变得显著，可能因傅里叶截断效应引入旁瓣。
• 对于宏观器件（≥1 mm），有限尺寸效应可忽略不计，通过合理电极设计，功率水平可达100 W。