局域表面等离子激元增强AZO超表面热发射/吸收机制研究
批准号：
62105131
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
赵亚丽
依托单位：
学科分类：
红外与太赫兹物理及技术
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
赵亚丽
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
超表面光学太阳反射镜（Metasurface Optical solar reflector，Meta-OSR）是一类新型航天器热控涂层。它弥补了石英-OSR比重大、易碎、发射成本高等不足。当其结构中Al层较强太阳能吸收及超表面热发射/吸收低的不足，限制了其推广应用。本项目提出一种新型轻质化薄膜型OSR，其由掺铝氧化锌（AZO）超表面、介质层和金属光子晶体组成，集太阳能低吸收和高热发射/吸收于一身。本项目旨在建立高局域表面等离激元（LSPP）宽频红外增强吸收模型；构建太阳能全光谱禁带（高反射）金属光子晶体膜；提出一种通过反射层色散设计，增强OSR磁共振和LSPP效应的方法；揭示AZO超表面LSPP激发机制、电磁响应和谐振行为规律，为宽频吸波结构设计提供解决方案；提出适用于热控技术的一般规律和方法，为构建轻量化高性能OSR提供新的设计策略，本项目具有重要的科学意义和学术价值。
英文摘要
Metasurface optical solar reflector（Meta-OSR）is a new kind of thermal control coating which is one of most of importtant part of the spacecraft . Meta-OSR has extensive potential applications due to possessing significant advantages in weight and launch costs. However, the fundamental challenge for Meta-OSR application is bsorptive metal and Al doped ZnO Films metasurface with low thermal emissivity. In this project, we overturn the traditional model of infrared metasurface absorber and firstly propose a new kind of OSR assembled by AZO metasurface, dielectric spacer and metallic photonic crystals. It has a combination of low solar energy absorption and high thermal emission / absorption. The purpose of this project is to built up a broad-band enhanced infrared absorber based on localied surface plasmon polaritons(LSPP). Metal photonic crystal (MPC) films with full solar spectral band gap (high reflection) will be developed. The approach is proposed to enhance the efficiency of covesation of LSPP and locality of three-dimensional localized wave by optimizing the dispersion characteristics of the reflecting layer. studies will be carried out on the excitation mechanism of LSPP, the electromagnetic response and the resonant behaviors of the absorber.Then the optimized OSR will be prepared and characterized. The general rules and methods will be summarized, which can also be applied to other thermal control technologies. This project paves the way to satisfy OSR’s competing demands of thermal emissivity and high solar reflectivity. The implementation of this project produces important scientific and academic significance.
本项目构建了一种新型热控涂层，其由掺铝氧化锌（AZO）超表面、隔离层和金属光子晶体反射层组成。探究了AZO超表面厚度、尺寸和间距，隔离层厚度和金属反射层结构对其太阳光谱反射性能和红外发射的影响规律。研究结果表明采用方形的（AZO）超表面可获得宽频段红外高发射，且具备入射角和极化不敏感的优势；和MgF2介质层相比，隔离层采用损耗的SiO2层，可获得更宽的吸收带宽；和单层金属膜层相比，反射层采用金属光子晶体结构时，吸收频带变窄，吸收强度变化较小，吸收频段蓝移。随反射层金属光子晶体膜层金属膜厚、电介质膜厚和周期数增加，其红外发射性能变化不明显。优化后的结构在“大气窗口”8 µm-13 µm内平均发射率达86.4%，且对偏振不敏感，近红外平均反射率77.6%，且具有一定可见光透光率。该结构可应用建筑和汽车玻璃领域，解决透光、遮阳和辐射制冷的兼容的技术难题。通过结构不断优化，在0.3~2.5 µm 内有 17.6% 太阳光谱吸收率，在 2.5~30.0 µm内有86.5% 高红外发射率。通过对金属光子晶体反射层结构的调整，可对本项目提出超结构的可见光光谱性能调整，实现透射和反射色泽的调控，实现同色不同谱。可实现相似的色系，不同隔热性能；或具备相同隔热性能和不同色系。这为彩色热控涂层设计提供了设计空间和方法。此外本项目探索了单采用损耗性光子晶体结构的太阳光谱反射和红外发射率特性。为对比不同类型结构的热控涂层的性能，本项目研究了100 µm PDMS/玻璃/(50 nmAl2O3/10 nmAg/15 nmTiO2)2结构，表面平均发射率增加90.349%，白天和夜间辐射净功率分别为36.93 W/m2和123.56 W/m2。白天样品的温度比环境温度低3.3 ℃，夜晚低11.3 ℃。此外通过在单一金属光子晶体反射层中引入缺陷，可在反射层中精准引入缺陷，实现单一波长的高吸收。在本项目实现了10.6 µm、1.06 µm和1.54µm、梳状的吸收峰的高吸收。用含缺陷的反射层替代周期结构的反射层，有望实现激光、红外和热管理的兼容。
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