光谱可调控的热辐射基体与表面微纳拓扑特征结构一体化制备的基础研究

High-efficient thermoelectric conversion is a critical technique for the development and practical application of new thermophotovoltaic energy resource. Based on the spectrum control in the thermoelectric conversion through microstructures and the current situation of spectrum control mainly by smear, sticky, and plate methods in the thermal radiation, in this project, we propose an incorporate solution that the micro/nanoscale topologic characteristic structures are directly fabricated on the surface of thermal radiation body by means of the superiority of ultrafast laser micro/nano fabrication and the non-classical physical properties of micro and nano structures. We will use the small size, surface plasmon resonance, and dielectric confinement effects for the fundamental researches of spectrum properties contained in different surface structure pattern of radiation body. By employing the method of fs laser direct writing combining with exposure ablation of pulse scanning as well as the surface modification by ultrafast laser sputtering gas-phase deposition, the subwavelength topologic characteristic structures with wide frequency domain radiation and selectable narrow spectrum band control are directly fabricated on the surface of thermal radiation body with the help of modification by ultrafast laser sputtering gas-phase deposition. The dependence of controlled thermal radiation wavelength and surface topologic characteristic structures will be revealed and consequently the new approach supplementing to the existing control techniques of thermal radiation spectrum is expected to come true by theoretical simulation and spectra experiments, by which the demand for the future engineering applications such as the stealth techniques of micro-aircraft or underwater vehicle with durable and convertible spectra controlling, and photo-heat utilization of radiations.

高效热电转换技术是热光伏新型能源发展与实际应用的关键性技术。本项目以热电转换技术中微结构热辐射的光谱控制为应用方向，针对目前热辐射光谱控制技术的现状（以涂、黏、镀等制备方式为主），利用微纳结构显著的非经典物理性质和超快激光微纳制造技术的优势，提出在热辐射体表面直接制备微纳尺度拓扑特征结构的基体-结构一体化解决方案。基于微纳结构具有的小尺寸效应、表面等离子共振以及介电限域效应，开展辐射体表面不同结构模式光谱特性的基础研究；应用飞秒激光直写与脉冲扫描曝光烧蚀的组合式加工方法，并辅以超快激光溅射气相沉积的表面改性作用，在热辐射基体表面制备出具有宽频域辐射和选择性窄带光谱控制的亚波长拓扑特征结构；通过理论模拟与光谱实验，揭示表面特征结构与受抑制（受控）热辐射波长之间的关联规律，建立与现有光谱控制技术互补的新的技术途径，以适应未来特殊工作环境下诸如微飞行器、潜航器及辐射换能与光热利用的工程应用需求。

本项目针对未来新型热辐射系统或器件能量传递与控制的核心问题，探索和发展在基体材料表面直接制备具有优良热辐射光谱特性及其选择性调控能力的微纳尺度特征结构，一方面建立结构化表面选择性热辐射光谱控制所依据的物理模型；另一方面，运用飞秒激光的超快微去除效应，同时辅以其他手段对材料表面进行复合微纳结构的加工与改性，实现热辐射光谱选择控制所对应的多尺度表面拓扑特征结构的加工制备。主要研究结果为：.（1）确定了飞秒激光与固体材料相互作用产生微纳特征结构的重要定标关系，建立了材料表面态（包括，二级或多级特征结构以及纳米粒子）与辐射光谱之间的理论机制；（2）采用飞秒激光直写与“层雕”方法，同时辅以水热法、飞秒激光溅射沉积等组合方法，在材料表面直接制备出一体化的多级拓扑特征结构，获取结构单元与辐射基体（器件）物性兼容的有效途径；（3）对多级跨尺度微纳米拓扑特征结构进行热辐射光谱实验，同时进行反复的修改、设计与加工制备，建立了热辐射基体表面特征结构表现的等效谐振子与入射热辐射波或自身热辐射波的不同频率产生共振的参数条件、以及介电限域效应引起的结构层折射率变化的规律，获得了不同结构模式与热辐射电磁场耦合后的光谱特性及其可选择性调控的物理规律；（4）制备了微纳尺寸的限域石墨烯薄膜复合微结构，发现由于局域石墨烯特征结构改变了表面的电子性质，经过石墨烯弯曲声子与特征结构表面声子的强耦合修改，材料原有声子的本征频率发生改变，石墨烯条带（孤岛）或对准石墨烯复合微纳结构的光谱特征影响较大，呈现带通滤波与光谱特征改变的性能，仿真结果显示基底材料与石墨烯的晶格匹配度在光谱调控中呈现不同的效果。.项目所获得的研究结果为后续发展热辐射基体-结构一体化设计的光谱选择性调控功能器件的关键制备技术提供了机理与技术基础，为应对未来能源挑战，发展热光伏新型能源技术提供可借鉴的应用基础。.项目在执行过程中，已发表SCI论文19篇；会议论文5篇，其中，受邀学术报告1次，获奖2篇；申请国家发明专5项，已取得授权2项；培养青年教师1名，在站博士后1名，博士生3名（毕业1名），硕士生7名（毕业4名）。