一种基于外尔半金属的双稳态辐射热结构、开关及系统的制作方法

1.本发明涉及热管理技术领域，尤其涉及一种基于外尔半金属的双稳态辐射热结构、开关及系统。


背景技术：

2.在一些极端环境，如超高/低温、密集的电磁场和外太空中，电子设备的可靠性大大降低。热电路利用热能而不是电流来处理信息，已经引起了广泛的关注。类似于电路中的元件，热二极管、热开关、热晶体管和热存储器已经被提出【ben-abdallah,et al.,physical review letters 112,044301(2014)】。热器件利用光子进行传输。与声子相比，它不需要任何中间媒介。传统的远场热辐射的强度受到黑体辐射的限制，但当两个物体之间的距离小于热特征波长时，物体之间的辐射换热不遵循史蒂芬玻尔兹曼定律，由于表面等离激元的激发，辐射换热量可以远超黑体极限。
3.尽管在一些特殊的应用中，热电路可以很好地替代电气电路，但它需要面对来自环境的热波动的独特挑战。与电路不同的是，它可以很容易地与环境电绝缘，而周围环境的温度波动可能会对热电路造成很大的影响。因此，如何实现热稳定是热器件中的重要问题。
4.外尔半金属作为一种新型材料，其独特的性质受到人们的广泛关注。由于其线性色散，外尔半金属具有小而非恒定的态密度，这使得其化学势强烈地依赖于温度【ashby,et al.,physical review b,89,245121(2014)】。因此，它的介电张量和热性质也与温度有关，所以它在不同的温度下可以表现出不同的发射率。因此，基于外尔半金属的热器件在外界温度变化时会展现出新颖的辐射特性。
5.以往研究表明，在同样的输入热流与发射体温度下，辐射换热量随接收体的温度降低而单调递减，呈正微分热导率这一普遍规律。此时辐射换热量与温度一一对应，稳态情况容易受外界的温度变化干扰。因此，如何打破这一规律，设计一种负微分导热系统，实现外界温度变化时，辐射换热会从一个稳态向另一个稳态转变，即双稳态热行为是热开关的关键问题。同时，如何利用近场效应，最大限度增强辐射换热，提升热开关性能也有待研究。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于外尔半金属的双稳态辐射热结构、开关及系统，以打破在同样的输入热流与发射体温度下，辐射换热量随接收体的温度降低而单调递减，呈正微分热导率这一普遍规律，实现负微分导热，从而实现双稳态热行为。
7.基于上述目的，本发明提供了一种基于外尔半金属的双稳态辐射热结构，包括热源和冷源，所述辐射热结构还包括设于热源和冷源之间的第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒，所述第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子之间的间距为100-200nm，且第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子的直径相同。
8.优选的，所述第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子的直径均为10nm。
9.所述辐射热结构中第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子质检的辐射换热公式为：
10.所述第一外尔半金属纳米粒子通过第一悬臂梁固定于热源朝向冷源的一端面。第二外尔半金属纳米粒子通过第二悬臂梁固定于冷源朝向热源的一端面。
11.一种基于外尔半金属的双稳态辐射热开关，所述辐射热开关包括所述辐射热结构。
12.所述辐射热开关的整体尺寸为0.5
×
0.5
×
1微米。
13.本发明还提供一种热管理系统，包括所述基于外尔半金属的双稳态辐射热开关。
14.本发明还提供一种能量存储系统，包括所述基于外尔半金属的双稳态辐射热开关。
15.本发明中，外尔半金属纳米粒子的共振频率会随温度变化，两个温度不同的外尔半金属纳米粒子可以用极化率的虚部反映粒子的发射率，两个不同温度粒子极化率虚部的耦合会增强粒子间的辐射换热，因此，利用外尔半金属产生的负微分热导率去实现双稳态热行为，进而增强辐射换热。
16.本发明的有益效果：
17.(1)本发明打破在同样的输入热流与发射体温度下，辐射换热量随接收体的温度降低而单调递减，呈正微分热导率这一普遍规律。利用外尔半金属介电常数随着温度变化的特性，从而借助负微分热导率，实现双稳态热行为，即在发射体温度一定时，接收体在不同温度下可以实现相同的效果。
18.(2)本发明可以利用粒子之间的激发的等离激元增强辐射换热，该结构可以作为一种双稳态辐射热开关在热管理和能量储存等方面有广泛的应用。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明结构示意图；
21.图2为本发明在t1＝300k时，黑体粒子之间和外尔半金属粒子之间的辐射换热随着接收体温度的变化曲线；
22.图3为本发明在t1＝300k时，外尔半金属纳米粒子的谱功率随着频率和温度的变化曲线；
23.图4为单个纳米粒子极化率的虚部随着温度和频率的变化曲线；
24.图5为本发明在t2＝345k时，外尔半金属粒子之间的辐射换热量随着t1的变化曲线。
25.图中标记为：
26.1、热源；2、冷源；3、第一外尔半金属纳米粒子；4、第二外尔半金属纳米粒子；5、第一悬臂梁；6、第二悬臂梁。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
28.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
29.如图1所示，一种基于外尔半金属的双稳态辐射热结构，包括热源和冷源，该辐射热结构还包括设于热源和冷源之间的第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒，第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子之间的间距为100-200nm，且第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子的直径相同。本发明中，通过用数据采集装置万用表和热敏电阻采集温度等辐射换热参数，并传输到电脑中进行处理。本发明在给定的热流下，发射体温度为300k时，接收体可以对应两个温度。
30.为了便于安装纳米粒子，第一外尔半金属纳米粒子通过第一悬臂梁固定于热源朝向冷源的一端面。第二外尔半金属纳米粒子通过第二悬臂梁固定于冷源朝向热源的一端面。实施时，两个悬臂梁上均设置有安装固定外尔半金属纳米粒子的安装结构。
31.作为一种优选的实施方式，第一外尔半金属纳米粒子和第二外尔半金属纳米粒子的直径均为10nm。包含双稳态辐射热结构的辐射热开关的整体尺寸为0.5
×
0.5
×
1微米量级。
32.具体而言，如图1所示。一种基于外尔半金属的双稳态辐射热开关，该结构由两个外尔半金属纳米粒子构成，两个纳米粒子之间的距离为100-200nm。两个纳米粒子的直径为10nm。
33.辐射换热的研究中，首先计算相同条件下黑体之间的辐射换热以及两个外尔半金属之间的辐射换热，黑体之间的辐射换热用公式(1)计算
[0034][0035]
其中σ是斯蒂芬玻尔兹曼常数。t是温度，a＝4πr2，f
1-2
是两个半径相等的球体之间的辐射视场因子，由公式(2)计算得到。
[0036][0037]
外尔半金属粒子之间的辐射换热由公(3)计算得到
[0038][0039]
其中ω为角频率，θ(t)为普朗克谐振子，τ
ji
为纳米粒子i与j的传输系数。
[0040]
从图2中可以看出，在t1＝300k时，对于两个黑体粒子，它们之间的辐射换热随着温差的减小逐渐的减小，它呈现的正是传统材料所表现出的正微分热导率这一规律。而对与外尔半金属粒子，它的辐射换热由两部分组成，分别是普朗克谐振子和能量传输系数，从图2中可以看出，其普朗克谐振子随着温差的较小呈现的也是减低的趋势，所起主导作用的是能量传输系数。从图中也可以看出，能量传输系数的变化趋势跟总的辐射换热的变化趋势是类似的，在接收体温度大于220k时为正微分导热，小于220k时为负微分导热，220k时微分热导率为0，由于微分热导率的正负变化，导致在相同的发射体温度下，在两个不同的接收体温度时可以实现相同的辐射换热，以微分热导率为0时的输入热流作为双稳态阈值，在小于该热流下实现双稳态热行为。
[0041]
为了进一步理解双稳态热行为背后的机理，研究了在t1＝300k时，谱功率随着接受体温度和频率的变化。如图3所示，两个纳米粒子之间的辐射换热主要由局域表面等离激元控制(lspp)，所以在共振频率处呈现一个较高的状态，其他频率下都比较低。如图3所示，在频率为1.966*10
14
左右出现了峰值，这意味着，该处纳米粒子之间的等离激元有贡献，从而增强了辐射换热。
[0042]
进一步地，在图4中绘制了单个外尔半金属纳米粒子温度为50k，220k，280k，300k时极化率的虚部随着频率的变化，极化率虚部正比于粒子的吸收率，从而极化率的虚部峰值所在的位置以及峰值高低会影响其激发等离激元的效果。从图3可以看到，当温度为300k时，对于温度为280k所在的峰值与其峰值所在频率非常接近，但峰值较低，其耦合效果较差，而对于温度50k出现的峰值虽然很高，但其对应的频率与300k峰值对应的频率相差较远，其耦合效果也相对较弱。对于220k出现的峰值，其对应的频率与300k时峰值对应的频率比较接近，其峰值也具有一定的高度，所在图3中可以看到，它们的耦合效果是最好的，由于等离激元贡献的峰值呈现出一个最好的结果。所以，我们可以得到，激发等离激元，从而增强辐射换热，并不是随着接收体发射体温差的单调变化，可以用两种不同的温度实现相同的效果，这验证了前面提出的双稳态热行为，并且可以当作一种双稳态热开关，在热管理和能量储存方面有着广泛的应用前景。
[0043]
为了更充分地理解双温态热行为，在图5中绘制了在t1一定的情况下，两个粒子之间的辐射换热随着t2的变化，可以很清楚的看到，在不同的温度差下可以实现相同的辐射换热，这进一步地说明了设计的开关实现双稳态的可能。
[0044]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0045]
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。