热传导和热辐射的动态调制：超高开关比热三极管

A thermal transistor is an analogue to the familiar electrical transistor in the heat transfer domain. High performance thermal transistors could have wide applications ranging from renewable energy harvesting, thermal regulation of buildings and thermal logic. However, the experimentally demonstrated performance, i.e. the on/off ratio, of any existing thermal transistor, regardless of the underlying physics, has been relatively modest. Here we propose two novel experiments for thermal transistors: the first one is a solid-state conduction transistor, modulated by a magnetic field; and the second one is a vacuum radiative transistor, modulated by an electric field. Both of them have the potential of achieving an on/off ratio of 100. As compared to the-state-of-the-art, this represents an improvement of more than an order of magnitude in performance.

近年来，受二极管、三极管等非线性电子元器件引领微电子产业飞速发展的启示，热学领域与之相对应的热二极管、热三极管的概念被提出。高性能的热三极管等非线性热学元器件可以应用于提高热机和空调的效率、降低建筑物能源消耗、以及实现热逻辑线路等诸多领域，有着极为广阔的发展空间。然而，目前在实验室中实现的各种基于不同机理的热三极管的性能却受制于低开关比的缺陷而裹足不前。本项目将通过实验手段验证两种超高开关比的热三极管 。第一种是基于磁场调制的固态热三极管；第二种是基于电场调制的真空热三极管。预计两种热三极管的开关比都将达到100，这一数值比目前实验纪录提高了至少一个数量级。

热能在全球几乎所有关于能源的使用和转换领域都至关重要。类比于电学领域，高性能非线性热元件(如热二极管、热三极管和热开关等)可以在系统层面上实现全新的热能管理和能量转换。本项目围绕“热传导调制”和“热辐射调制”两个中心展开，开发超高开关比的热二极管、热三极管和热开关，并将其应用到可再生能源、淡水获取、芯片热管理等重要工程问题。.热传导调制的代表性工作：研发了开关比超过2000的热开关；并利用其实现了“热整流”：将昼-夜周期性波动的“交流温度场”转化为“直流”温度场，实现昼夜不间断地从太阳和外太空稳定获取能源，有望解决太阳能利用过程中发电不稳定、效率较低、供需时间不匹配等问题。成果发表在国际最富盛名的《细胞》(Cell)杂志的能源旗舰子刊《焦耳》(Joule)上。.热辐射调制的代表性工作一：通过纳米光子学分别调控太阳波段的“开关比”（>2000）与红外波段的“开关比”（>100），实现利用同一物理面积同时从太阳和外太空高效获取能量，有望解决太阳能技术与辐射制冷技术的协同工作问题。成果发表在国际最富盛名的《细胞》(Cell)杂志的能源旗舰子刊《焦耳》(Joule)上。.热辐射调制的代表性工作二：推翻了“热汇聚”技术强化辐射制冷的经典理论；基于“辐射-吸收”互易性重构了与热力学第二定律自洽的新理论，并进行了实验验证。成果发表在光学领域著名学术期刊《Optics Express》，被选为编辑精选（Editor's Pick）文章。.成果转化方面：依托本项目的专利（CN201920615988.0）以100万人民币的价格授权给珈伟创投有限公司，用于蓄电池的热管理。