综述：超构表面的热辐射调控与应用
据麦姆斯咨询报道，2024年1月22日，南京大学物理学院刘辉教授团队在学术期刊Nanophotonics上发表综述性论文“Controlling thermal emission with metasurfaces and its applications”。南京大学物理学院博士生褚琼琼为第一作者，东南大学仲帆博士伟共同一作，刘辉教授为通讯作者，南京大学为论文第一完成单位。
这篇综述论文系统性地总结了超构表面多自由度调控红外热辐射研究的最新研究进展，以及相关红外应用的发展现状，并强调了目前提高热辐射器件性能、进一步小型集成化的关键挑战与问题。
热辐射是由于带电粒子的热运动而使温度高于绝对零度的物体自发辐射电磁波的常见物理现象，比如太阳光和燃烧的蜡烛。物体的热辐射与其辐射率ε和温度T有关，精确控制材料的辐射率对于各种热管理应用至关重要。近20年来，随着纳米光子学及微纳加工技术的飞速发展，波长或亚波长尺度下的超构表面研究为热辐射调控带来了突破。超构表面在电磁波调控方面已经展现出了卓越能力，实现了多种新颖的光学功能和应用，例如超构透镜、生化传感和光学吸收器等。通过人为设计的超构表面，可以实现多自由度的热辐射调控，包括辐射波长、带宽、偏振、辐射角度和空间相干性等。具有超薄厚度的二维超构表面可提供空间上可调的辐射率，非常适用于小型集成化红外器件设计。多种超构表面设计已被提出用来调控光吸收和热辐射，例如光栅、微腔、周期性分布的金属或电介质单元。为了满足多种红外应用的研究要求，研究者们提出了各种调控机制，例如基于活性材料的动态可调热辐射、违反基尔霍夫定律的非互易热辐射以及像素化热辐射阵列等。
首先，这项研究回顾了从单一超构表面到超构表面阵列在辐射光谱、偏振、辐射角度和相干性等方面调控热辐射的研究进展。
图1 波长选择热辐射：通过共振单元或非共振超构表面可实现对辐射波长及带宽的灵活调控。
图2 热辐射角度调控：通过多种超构表面耦合机制（如临界耦合、Fano共振等可调控热辐射的角度响应）实现定向辐射。实验上通过角分辨热辐射测量（ARTES）可对结构色散及辐射特性进行表征。
图3 热辐射的偏振调控：通过纳米天线或光栅可产生线偏振热辐射；通过手形结构或非手性旋转阵列可产生圆偏振热辐射。
图4 相干热辐射调控：通过超构表面上激发的表面声子极化激元或金属等离激元可提升热辐射的相干性，实现定向辐射。
随后，这项研究详细介绍了动态热辐射调控、非互易热辐射和近场热辐射的近期研究。
图5 热辐射的动态调控：将石墨烯或相变材料VO₂、GST等与超构表面设计相结合，可实现对热辐射光谱的灵活调控。另外结合激光等外部调控手段可实现空间与时间上可控的热辐射效果。
图6 非互易热辐射：将磁光材料与超构表面结构相结合，通过磁场调控可产生非互易热辐射。另外通过磁性韦尔半金属结构或对超构表面的时空调制方法也可实现非互易热辐射。
图7 近场热辐射：超构表面中的共振模式及结构间的衰逝波可增强近场热辐射与热传递，实现超普朗克辐射。
接着，这项研究介绍了热辐射调控相关的红外应用。
图8 辐射制冷技术：通过超构纤维、超构材料织物等复合超构材料设计可实现有效的辐射制冷。
图9 基于热辐射器件的热光伏与热伪装应用：热辐射光谱调控对于红外应用十分重要。
最后，研究人员提出了进一步扩展热辐射调控自由度及调控速度等挑战，并展望了超构表面调控热辐射研究未来在片上集成红外应用上的发展。
图10 基于超构微腔阵列的集成热辐射芯片及其红外吸收光谱探测应用：待测有机分子的吸收光谱信息可以展现在空间上分布的超构微腔阵列中。
总结与展望
这篇综述论文展现了超构表面是多自由度调控热辐射的有力工具。目前片上热辐射器件研究及其应用仍面临诸多挑战，主要包括以下几点：
1. 可调谐的多光谱热管理设计（从可见光到长波红外范围）。集成多功能红外应用于同一片上，如在所需波长范围内实现隐身、防伪和辐射冷却等多种功能之间的灵活切换，可进一步促进器件的小型集成化。
2. 相较于目前的电调控与激光调控等调制方法，进一步提升热辐射的调控速度对于热调控应用十分重要。比如未来，基于阿秒激光等超快激光技术有望将热辐射的调制速度进一步提升。
3. 提升热辐射阵列的Q值，这对于红外传感器和片上光谱应用至关重要。
4. 提升热辐射器件的高温稳定性和系统封装技术，这对于各种能源应用十分重要。
https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0754
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