本發(fā)明涉及近場(chǎng)熱輻射的，更具體地，涉及基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器及其輻射熱流調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、熱輻射，由物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，以電磁波的形式傳播，是熱量傳遞的三大基本方式之一。自然界不同物體的吸收率、反射率及透射率因具體條件不同而千差萬(wàn)別，給熱輻射研究帶來(lái)了很大困難。為方便起見(jiàn)，人們從理想物體出發(fā)，提出了吸收率為1的黑體、反射率r＝1的鏡體及透射率t＝1的透明體等概念。歷史上，人們對(duì)黑體的熱輻射能力進(jìn)行了深入的研究，并提出了黑體輻射的三個(gè)基本定律：stefan-boltzmann定律、planck定律及l(fā)ambert定律，分別描述了黑體的輻射力、光譜輻射力及按空間方向分布的輻射力。在熱輻射的研究中，人們往往把黑體作為標(biāo)準(zhǔn)物體，將實(shí)際物體的輻射特性在與黑體的輻射特性進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。

2、近場(chǎng)熱輻射，相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)熱輻射而言，是指當(dāng)系統(tǒng)中不同溫度的物體的間距小于熱特征波長(zhǎng)時(shí)的輻射傳熱。近場(chǎng)條件下的熱輻射強(qiáng)度顯著大于遠(yuǎn)場(chǎng)熱輻射強(qiáng)度，并在某些頻段下可以打破planck極限，在研究中人們把這種輻射增強(qiáng)歸功于倏逝波及特殊光子傳播模式的影響。近幾十年來(lái)，主動(dòng)近場(chǎng)輻射調(diào)控的理論研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但受限于現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究才剛剛起步。人們基于不同光學(xué)響應(yīng)的材料，如二維材料、相變材料、磁光材料和超材料等，設(shè)計(jì)如平板-平板、球-平板、尖端-平板及光柵等微納結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控近場(chǎng)熱輻射。在近場(chǎng)條件下對(duì)輻射熱流和輻射能轉(zhuǎn)換效率的調(diào)控在熱光伏系統(tǒng)、輻射制冷、熱成像、熱助磁記錄儀等方面有廣泛應(yīng)用。

3、現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)表面態(tài)耦合、在磁光材料上施加外部磁場(chǎng)以調(diào)控電磁表面波及引發(fā)雙曲模式等來(lái)增大近場(chǎng)熱輻射，但這種方式難以對(duì)輻射熱流進(jìn)行精確調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的無(wú)法對(duì)輻射熱流進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控的缺陷，提供能夠精準(zhǔn)調(diào)控輻射熱流的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器及其輻射熱流調(diào)控方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器包括發(fā)射體和接收體；

3、其中，所述發(fā)射體依次包括第一半金屬層、第一介質(zhì)層和第二半金屬層；

4、所述接收體依次包括第三半金屬層、第二介質(zhì)層和第四半金屬層；

5、所述第二半金屬層與所述第三半金屬層相對(duì)設(shè)置，且所述第二半金屬層與所述第三半金屬層之間存在可調(diào)間距。

6、本發(fā)明還提出了近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流調(diào)控方法，基于上述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器實(shí)現(xiàn)，所述方法包括以下步驟：

7、在仿真平臺(tái)中構(gòu)建所述近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的仿真模型，設(shè)定所述第一、第二、第三和第四半金屬層的厚度h1、h3、h4和h6的初始值；設(shè)定第一和第二介質(zhì)層的厚度h2和h5的初始值；設(shè)定扭轉(zhuǎn)角α，以及所述第二半金屬層與所述第三半金屬層之間的間距d的初始值；其中，扭轉(zhuǎn)角α表示所述發(fā)射體自初始位置開(kāi)始，繞過(guò)第二半金屬層表面中心點(diǎn)的法線順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而成的角度，當(dāng)所述發(fā)射體的垂直投影與所述接收體的垂直投影正好重合時(shí)，所述發(fā)射體位于初始位置；

8、以最小化近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流與目標(biāo)輻射熱流的差值為目標(biāo)函數(shù)；

9、將所述間距d、扭轉(zhuǎn)角α，以及厚度h1、h2、h3、h4、h5和h6設(shè)置為所述目標(biāo)函數(shù)的變量，并將所述初始值和目標(biāo)函數(shù)輸入目標(biāo)優(yōu)化算法中，利用目標(biāo)優(yōu)化算法迭代求解目標(biāo)函數(shù)，在迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值，或，所述目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)，結(jié)束計(jì)算，得到使所述近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器輸出目標(biāo)輻射熱流的間距d、扭轉(zhuǎn)角α，以及厚度h1、h2、h3、h4、h5和h6的值。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

11、本發(fā)明的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器利用半金屬獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)能夠在不依賴外部磁場(chǎng)的情況下產(chǎn)生非互易的電磁表面波，并利用半金屬的高表面態(tài)密度來(lái)增強(qiáng)輻射熱流與能量利用率；另外，通過(guò)調(diào)控所述第二半金屬層與所述第三半金屬層之間存在的可調(diào)間距，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)近場(chǎng)熱輻射進(jìn)行調(diào)控的目的。

技術(shù)特征：

1.基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，包括發(fā)射體和接收體；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四半金屬層的半金屬均為weyl半金屬。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述weyl半金屬的介電張量的表達(dá)式包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流的表達(dá)式包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述能量傳輸系數(shù)ξ(ω,β,φ)的表達(dá)式包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述的基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器，其特征在于，所述第一半金屬層的厚度與所述第四半金屬層的厚度相同，所述第二半金屬層的厚度與所述第三半金屬層的厚度相同，所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的厚度相同，且所述第一、第二、第三和第四半金屬層的厚度可調(diào)，第一和第二介質(zhì)層的厚度可調(diào)。

7.一種近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流調(diào)控方法，所述方法基于權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流調(diào)控方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流調(diào)控方法，其特征在于，所述反射系數(shù)矩陣r1的計(jì)算步驟包括：

10.計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可讀指令，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行如權(quán)利要求7～9任一項(xiàng)所述近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器的輻射熱流調(diào)控方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及近場(chǎng)熱輻射的技術(shù)領(lǐng)域，提出基于半金屬的近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器及其輻射熱流調(diào)控方法，包括發(fā)射體和接收體；其中，所述發(fā)射體依次包括第一半金屬層、第一介質(zhì)層和第二半金屬層；所述接收體依次包括第三半金屬層、第二介質(zhì)層和第四半金屬層；所述第二半金屬層與所述第三半金屬層相對(duì)設(shè)置，且所述第二半金屬層與所述第三半金屬層之間存在可調(diào)間距；所述近場(chǎng)熱輻射調(diào)控器能夠利用半金屬的高表面態(tài)密度來(lái)增強(qiáng)輻射熱流與能量利用率，并能夠通過(guò)調(diào)控可調(diào)間距實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)熱輻射進(jìn)行調(diào)控的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：張欣,席英杰,彭潔彬,羅麗,姚源衛(wèi),黃穎怡,吳福根
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2