[论文解读] Nanophotonic engineering of active and functional thermal emitters

Denis G. Baranov, Yuzhe Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 122被引用 2

一句话总结

本综述介绍了利用纳米光子结构材料调控光谱、方向性和偏振特性，以工程化热辐射发射的纳米光子策略。它展示了如何通过定制的光子结构实现超越普朗克定律的相干、选择性和定向热辐射发射，从而在能量收集和辐射冷却中实现应用。

ABSTRACT

Thermal emission is a ubiquitous and fundamental process by which all objects at non-zero temperature radiate electromagnetic energy. This process is often presented to be incoherent in both space and time, resulting in broadband, omnidirectional light emission, with a spectral density related to the object's temperature by Planck's law. Over the past two decades, there has been considerable progress in engineering the spectrum, directionality, and polarization of thermally emitted light using nanostructured materials. This review summarizes the basic physics of thermal emission, lays out various nanophotonic approaches to engineer thermal-emission and manipulate its dynamics, and highlights impactful applications including energy harvesting, lighting, and radiative cooling.

研究动机与目标

• 理解并控制纳米尺度热辐射发射的基本物理机制。
• 解决传统材料中热辐射固有的非相干性和宽带特性问题。
• 开发能够实现定向、光谱选择性和偏振热辐射发射的纳米光子平台。
• 通过工程化热辐射发射器，实现能效和热管理的实际应用。

提出的方法

• 利用光子晶体、超材料和等离子体结构等纳米结构材料，调控热辐射光谱。
• 应用光子带隙工程原理，抑制或增强特定波长的辐射发射。
• 设计谐振结构（例如微腔、光栅阵列）以控制辐射的方向性和偏振性。
• 利用近场和远场耦合效应，增强辐射强度和方向性。
• 集成活性材料（例如相变材料或半导体材料）以实现可调谐热辐射发射。
• 利用电磁理论和麦克斯韦方程组对辐射进行建模，以预测其光谱和角度特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计纳米光子结构，以实现超越黑体辐射的光谱选择性热辐射发射？
• RQ2 光子带隙和共振模式在控制热辐射的方向性和偏振性方面发挥什么作用？
• RQ3 如何将活性材料集成到热辐射发射器中，以实现动态可调发射？
• RQ4 在纳米尺度上工程化热辐射发射的根本极限和权衡是什么？
• RQ5 工程化热辐射发射器如何在能量收集和冷却等实际应用中提升性能？

主要发现

• 纳米结构材料可实现高光谱选择性的热辐射发射，偏离了普朗克定律预测的宽带发射特性。
• 光子晶体和等离子体结构可将热辐射限制并引导至狭窄的角域和光谱带。
• 谐振腔设计可实现方向性超过传统热源的定向发射。
• 通过各向异性纳米结构可实现热辐射的偏振控制，从而实现特定偏振态的发射。
• 基于相变材料的活性热辐射发射器可按需实现发射光谱的动态调谐。
• 工程化热辐射发射器显著提升了在辐射冷却和太阳能热能转换应用中的性能。