近日，北京理工大学物理学院汪洋研究员、李家方教授团队在动态热辐射超表面研究方面取得重要进展，该工作基于纳米剪纸结构通过多物理场调控的方式实现了红外热辐射的强度和峰值波长的原位调控，并探索了它在动态热管理、能源转换方面的应用潜力。相关研究成果以“Thermal Emission Manipulation Enabled by Nano-Kirigami Structures”为题发表在Small期刊[Small, 2305171 (2023)]上。该研究工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和北京市自然科学基金的资助。
热辐射是一种普遍存在的基本物理现象，并在照明、温度管理、能源利用、热成像等领域有着重要的应用从而引起广泛的研究兴趣。根据基尔霍夫定律，任何物体的热发射率由其光吸收率决定。这一发射率和吸收率的等价关系表明，热辐射的时间、空间、光谱特性可以通过材料的选择和微纳结构的设计来实现调控。随着纳米技术在近二十年的快速发展，科学家们利用超表面材料在热辐射的光谱分布、方向性、偏振等静态特性的设计方面已经取得了很大进展。但是，在热辐射的随时间响应的动态操控方面的手段还十分有限，多数的动态操控方法在辐射强度和光谱分布方面的调控范围和调控维度较小，同时受到器件本身材料或结构的限制而操控方式局限于特定的一种方式，亟需发展一种调制能力强、调制维度多、调制方式多的新型热辐射操控手段。
在众多的超表面材料中，纳米剪纸超表面因其独特而多样的驱动方式以及可重构的几何结构和光学特性[Nat. Commun. 12, 1299 (2021); Adv. Opt. Mater. 11, 2202150 (2023)]，而成为动态热辐射调控的理想平台。基于聚焦离子束的纳米剪纸技术经过近十年的发展已经成为一种新型的三维微纳加工方式[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018); Light Sci. Appl. 9, 75 (2020); Nanophotonics 12,1459 (2023)]。这种技术可以制造精细的二维平面图形，并使平坦的薄膜结构形变为立体扭曲的三维结构，从而突破传统自上而下、自下而上、自组装等微纳加工技术在结构的连续性、复杂性、动态调谐等方面的局限性，为设计新颖的微纳光学结构提供了一种新手段。不过，在面向热辐射调控应用时，纳米剪纸超表面在选择性辐射特性设计、大单元尺寸结构制造等方面仍存在诸多待探索的科学和技术问题。
在本工作中，研究团队探究了螺旋线型、风车线型等剪纸结构在静电力场、机械应力场等的作用下的三维力学形变特征，并观察其在中红外波段的动态光谱响应特性。如图1所示，纳米剪纸阵列构建在金属/氧化硅/硅衬底上。研究人员在金属膜上像剪纸一样刻蚀精心设计的曲线，然后对底部氧化硅进行选择性湿法蚀刻，从而获得悬空的二维剪纸结构。制备的二维平面结构可以在两个方向上“折叠”，即向上和向下。向下的形变模式可以由静电力引起，向上的变形可以通过离子束的全局辐照来实现，并可以后续通过向下施加压应力实现结构的动态回复调制。超表面的热发射率调制主要通过金属狭缝的动态等离激元共振模式进行，通过外界物理场可以实现剪纸结构强烈的变形和扭曲，而这些形变引起的线状狭缝的尺寸变化，能够在中红外波段产生显著的等离激元光学调制效果。

图1. 纳米剪纸热辐射超表面器件设计
纳米剪纸结构的三维变形不仅能够引起红外共振吸收/发射强度的变化，还能够引起共振吸收和发射波长的变化。这些趋势与剪纸构造的形状、结构参数和驱动模式密切相关。研究团队分别通过两种途径在实验上证明了这一强大的热辐射调控能力。图2展示了一种螺旋线形热辐射剪纸结构设计，该结构适用于电调制并能够调制发射强度，通过对周期、线长、线宽的优化设计，可以实现中红外波段任意波长的窄带热发射。在金层和底部硅层之间施加电压后，螺旋结构将在静电力的作用下向下变形，导致热发射率和辐射强度的变化。随着电压的增加，螺旋结构的发射率峰值随着波长的轻微蓝移而降低，直到达到最大电压，这时纳米结构的屈服强度和静电力作用达到最大平衡状态。
纳米剪纸热辐射器件还可以动态控制热辐射的波长范围和可见光的透射/吸收，从而实现高效的热管理。为了证明这种能力，研究团队设计了一种聚合物嵌合的具有风车形状的纳米剪纸热管理器件（图3）。风车结构可以在应力引导下实现大的扭转变形。一方面，在可见波段，它可以像窗口一样动态反射或接收太阳能。随着变形高度的增加，纳米窗口打开，窗口面积继续增加，导致可见光透射和吸收增加。通过在底部设计掺杂的硅或其他吸收材料，该装置可以有效地控制太阳能的吸收。另一方面，在红外波段，风车结构可以调节热辐射的峰值波长。图3中显示了具有不同变形高度的风车结构的热发射光谱。当二维状态下可以使纳米结构的发射峰位于大气窗口的波长范围内，而三维状态下使发射波长在大气窗口之外，这种动态的调控是通过将剪纸结构内嵌进弹性聚合物中实现的。

图2. 螺旋线形动态热辐射超表面器件的实现

图3. 风车线形动态热管理器件的实现
基于纳米剪纸超表面的动态热辐射调控系统具有多物理场调控、多维度光学性质调节和多种材料兼容的优点。本工作证明了可以通过静电力或机械应力对纳米剪纸结构的红外响应进行动态调控，该结构同时也适用于热致应力、气动力、磁致应力等多种调控方式。另一方面，纳米剪纸热辐射调控系统在波长、强度和其他光学特性方面提供了多维度的调节能力。在本工作中已经证明器件既可以独立调节辐射强度，也可以在宽范围内调节辐射峰值波长。由于特殊的线性设计带来的三维扭转变换，纳米剪纸结构在调节热辐射的相位、手性、方向方面也极具潜力。此外，该纳米剪纸微机械系统并不局限于单一材料，金、银、铝、半导体、相变材料等均可。基于此，我们可以根据辐射冷却、太阳能利用、热伪装等多种应用场景和环境的需要，选择合适的材料、结构和调控方式进行器件设计。综上，基于纳米剪纸结构的超表面热辐射调控器件具有灵活的光谱调节能力和独特多样的动态调节方法，是可重构热辐射的理想操控平台，有望在能源转换、热伪装等领域发挥重要作用。
北京理工大学物理学院博士研究生赵英浩和梁清华为论文的共同第一作者，北京理工大学汪洋研究员、李家方教授为共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202305171