撰稿|由课题组供稿
近日，山东高等技术研究院吴小虎教授课题组与河南师范大学物理学院于坤教授课题组合作，以α相三氧化钼双曲材料为平台，提出了一种新型近场辐射调制器，并重点讨论了近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时近场辐射调制器的调制效果。通过双曲声子激元的色散关系对具有大热流高调制因子的近场辐射调制器的机制进行了分析，该工作有利于双曲材料在非接触式热调制器中的应用。研究成果以“Near-field radiative modulator based on α-MoO3 films”为题发表在International Journal of Heat and Mass Transfer (DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124603)上。
当物体间距小于或与热辐射的特征波长相当时，由于倏逝波耦合产生的光子隧穿效应，近场辐射换热可以超出黑体辐射极限几个数量级，在热管理和太阳能光热利用等领域有重要应用。近场辐射热流的调制是另一个重要的研究方向，其中发射器和接收器之间的相对旋转是一种典型的方法。然而，以往的研究主要关注调制对比度的增强，而没有考虑到大的热流密度。
针对以上问题，该工作研究了近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时，α相三氧化钼之间的辐射热导率（图1），并讨论了基于α相三氧化钼薄膜的近场辐射调制器对近场辐射热流的调制效果（图2）。研究表明，当近场辐射热流沿α相三氧化钼的[010]晶体方向时，辐射热导率达到了223.2 W/(m2·K) （黑体极限的36倍）以及调制对比度达到了最大的6.33（图4）。而当近场辐射热流沿α相三氧化钼的[100]和[001]晶体方向时，调制对比度分别仅为5.84和2.38。该近场辐射调制器具有大的辐射热导率是由于双曲声子激元的激发（图3），而具有大的调制对比度是由于发射极与吸收极之间的相对扭转导致双曲声子激元的失配（图5）。
图1. 近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时，α相三氧化钼之间近场辐射传热的示意图。(a) [010] (z轴), (b) [100] (x轴) 和 (c) [001] (y轴)。
图2. 近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时，总辐射热导率与旋转角度的关系。
图3. 近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时，能量透射系数分布图。
图4. 近场辐射热流沿不同的α相三氧化钼晶向时，总辐射热导率与旋转角度的关系。
图5. 近场辐射热流沿α相三氧化钼的[010]晶向时，反射系数虚部以及能量透射系数分布图。
双曲材料因其能在宽频率范围内激发双曲声子激元，产生显著增强的辐射热流，极大地促进了近场辐射换热及其相关领域的理论和技术发展。基于α相三氧化钼薄膜的近场辐射调制器同时具有大热流和高调制因子，有利于双曲材料在非接触式热调制器中的应用。进行近场系统扭转的研究将为增强光-物质相互作用提供新的解决方案，丰富纳米热光子学的研究内容。这将为基于近场辐射换热的高效能量转换设备、微纳尺度热能管理以及其他微纳米前沿技术的关键共性科学问题提供理论依据和分析手段。此外，这项研究有助于深入理解热辐射的机理，拓宽热辐射的应用领域，并进一步发挥热辐射在能源经济中的潜力。因此，这项研究具有重要的科学意义和广泛的应用前景。
吴小虎，山东高等技术研究院研究员，山东省优青，泰山学者青年专家。2019年博士毕业于北京大学（佐治亚理工学院联合培养），曾荣获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生。主要从事辐射换热和微纳光子学等领域的研究，在Optica，Renewable Energy，ACS Photonics，Materials Today Physics，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanophotonics等期刊发表论文100余篇，其中封面论文3篇。其博士论文被评为北京大学优秀博士论文，并被Springer出版社全英文出版。其双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。获国际传热传质中心2019年度Hartnett-Irvine Award奖，2020中国新锐科技人物突出成就奖、2022中国新锐科技人物创新贡献奖，同时入选2021福布斯中国30位30岁以下精英（科技领域）、济南市青年创新先锋、历城区十大杰出青年、第四届影响济南科技人物、山东省省直机关优秀共产党员。主持国家和山东省科研项目4项。获授权发明专利1项，软件著作权5项。担任《Energy Storage and Saving》，《SmartMat》，《Clean Energy Science and Technology》，《应用光学》，《东北电力大学学报》等期刊的青年编委。创办“热辐射与微纳光子学”微信公众号，并举办“热辐射研究生研讨会”，致力于学术分享与传播。
于坤，河南师范大学物理学院教授，博士生导师，河南省杰出青年基金获得者，河南省高校科技创新团队负责人，河南省教育厅学术技术带头人，博士毕业于北京理工大学仪器科学与技术专业。主要从事光谱发射率测量与调控、辐射测温技术方面的研究，研究领域涉及光谱发射率测量技术及仪器的研制、辐射测温方法及辐射测温仪器的研制、材料光谱发射率变化规律，多波长辐射测温算法等。主持国家自然科学基金3项，相关研究成果已经发表在Photonics Research、International Journal of Heat and Mass Transfer、Infrared Physics and Technology等SCI期刊发表，作为第一发明人授权专利7项，其中转让1项。
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