任何温度高于0 K的物体都会自然地向周围空间发射热辐射，这是一种常见的能量传递方式。近年来，热辐射管理器件因其在降低建筑能耗、改善人体热舒适度以及能量转换等方面的应用前景，受到了广泛关注。然而，大多数此类器件均具有静态的光热特性，缺乏根据环境变化动态调节自身热辐射的能力，因此亟需能够实时调控热辐射的先进器件，以推动相关领域的智能化发展。温度自适应热辐射调制器（TARM）有望与其他器件和调控技术相结合，实现更复杂、更智能、多刺激响应调控，并逐渐应用于建筑节能、服装、信息、航空航天等领域。随着能源高效转换利用的趋势日益显著，相关技术研究的不断深入将推动各学科的发展。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队重点总结介绍了具有温度自适应热辐射调节功能的智能器件，并探讨了它们在多领域安全应用中面临的当前挑战、潜在策略和未来发展方向（图1）。研究团队首先明确了航天器热控制、红外伪装和信息防伪等领域对热辐射动态调控的实际性能需求，并在此基础上分别介绍了由钙钛矿型锰氧化物、二氧化钒、锗锑碲合金等不同类型智能材料构成的温度自适应热辐射调制器件，重点总结了现阶段器件设计中性能提升的策略，为未来进一步提升器件性能提供了指导。随着应用需求的日益复杂化和器件制备工艺的不断进步，研究团队提出了该研究领域未来重要的发展方向，包括对具有更大调制幅度、更宽调制范围和更快调制速度的器件需求；实际户外应用中的服役寿命需要进一步的实验验证和优化；从实验室制备到实际应用的推进，需要解决应用适应性、成本效益、环境安全以及标准化和认证等关键问题和挑战。相关研究成果以“Temperature-adaptive radiative modulator for multi-domain safety applications”为题发表在Cell姊妹刊Device上。论文的第一作者是上海硅酸盐所2021级硕博连读生李诚聪和博士毕业生曹翠翠。

温度自适应热辐射调制器除了在多领域安全方面具有广阔的应用前景外，在建筑节能领域也有着不可替代的优势。建筑智能窗需要根据环境温度变化实现太阳辐射与热辐射的动态响应，在对应波长范围内实现光学状态的切换以减少室内空调系统能耗。研究团队提出一种基于VO₂薄膜的热致变色器件（图2）。由于VO₂存在单斜向四方的相转变，其光学常数也会显著改变，而设计的多层薄膜间的干涉效应进一步放大了器件在高低温下的发射率调制幅度，实现了不同环境温度下窗户热辐射的自适应调控，同时保证了器件整体在可见光波段的透过，满足了室内采光需求。通过全球建筑能耗模拟与户外实际测试的进一步综合验证和评价，器件的温度自适应热辐射调控特性显著减少了室内空调系统在温度波动环境下维持人体舒适温度区间所需的能耗。相关研究成果以“Dual-functional tunable emitter with high visual transparency for energy saving and information encryption”为题发表在Applied Materials Today上。论文的第一作者是上海硅酸盐所2021级硕博连读生李诚聪。

上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、ANSO国际合作专项、上海市自然科学基金原创探索等项目的资助和支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100407

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102297

图1 .温度自适应热辐射调制器的分类与潜在安全应用领域。

图2. 动态热辐射调控薄膜器件结构与理想节能窗设计原理图。