具有非互易效应的磁光复合微结构的热辐射特性研究

Micro/nano-scale thermal radiation technology, which aims to produce excellent ultra-traditional optics and heat transfer phenomenon through the controlling the structure size or shape continuously, which has enormous potential in the areas of energy and power engineering, aerospace, microelectronics and etc. This project aims to study the high-performance energy conversion devices by principle of thermal radiation, making the magneto-optical composite microstructure having nonreciprocal effect as the research subject. In order to clarify the mechanism of the effect of the magnetic field, the wavelength, doping elements and microstructure size, a combination of theoretical and experimental methods is used to explore the optical and thermal radiation characteristics of magneto-optical materials and magneto-optical composite microstructure, developing the novel simulation methods suitable for the thermal radiation properties of the magneto-optical composite microstructure. Through the experimental study of the emissivity of magneto-optical composite microstructures, the verification between the obtaining experimental results and theoretical results will be formed; using the obtained thermal radiation principle of the magneto-optical composite microstructure, it is optimized the design of magneto-optical composite microstructure achieving high efficiency of energy conversion. This project can provide the basis to study the optical and thermal radiation properties of the magneto-optical composite microstructure and to lay a scientific and theoretical foundation for the nonreciprocal effects of energy utilization, which is extending to the thermal radiation field.

微纳米尺度热辐射技术，旨在通过连续控制纳米材料结构的尺寸或形状来产生优异的超传统光学及传热理论的现象，在能源动力、航空航天、微电子技术等工程领域中有巨大的应用潜力。本项目以研究高性能的能源转换效率的热辐射器件为目标，将磁光复合微结构这类具有非互易效应的材料作为研究对象，采用理论与实验相结合的方法，探索磁光材料以及磁光复合微结构的光学特性和热辐射特性，明确磁场、波长、掺杂元素以及微结构尺寸的影响机制并发展适合于磁光复合微结构的热辐射特性的新型计算方法。通过对磁光复合微结构的发射率进行光谱实验研究，获得实验结果并与理论结果相互验证；利用获得的磁光复合微结构的热辐射特性原理，实现高效能量转换的磁光复合微结构的优化设计。本项目可为研究新型非互易特性的磁光复合微结构的光学和热辐射特性并为非互易效应的能源利用拓展到热辐射领域奠定科学理论基础。

微纳米尺度热辐射技术，旨在通过连续控制纳米材料结构的尺寸或形状来产生优异的超传统光学及传热理论的现象，在能源动力、航空航天、微电子技术等工程领域中有巨大的应用潜力。本项目以研究高性能的能源转换效率的热辐射器件为目标，将磁光复合微结构这类具有非互易效应的材料作为研究对象，探索磁光材料以及磁光复合微结构的光学特性和热辐射特性，明确磁场、波长、掺杂元素以及微结构尺寸的影响机制并发展适合于磁光复合微结构的热辐射特性的新型计算方法。本项目可为研究新型非互易特性的磁光复合微结构的光学和热辐射特性并为非互易效应的能源利用拓展到热辐射领域奠定科学理论基础。.首先，研究了磁光复合微结构电磁传输原理，建立介电函数与磁场之间的关系，获得了磁光材料n-InAs, GaAs 和 HgCdTe 的光学特性，建立了相应的Drude模型，同时讨论了正负如何角度、磁场强度等对非互易吸收率的影响。其次，研究了红外波段基片SiC光栅的非互易光学现象，提出了介电常数张量洛伦兹-德鲁德方程，将非互易光学性质描述为应用于磁光材料上的磁场，同时可变强度和波长下提出了合理设计的几何因子，并给出了SiC在热辐射波段具有良好的非互易吸收特性，并且研究了吸收率随不同结构参数（如不同层厚、填充率）的变化关系。另外，设计了一种新颖CdTe光栅结构，用于构建波长从18μm到23μm的全向红外非互易吸收材料。最后，利用局域有效介质理论和波动耗散理论，采用数学模拟方法研究了磁光砷化镓（GaAs）纳米线之间的近场辐射换热，证明了外磁场可以调节亚波长GaAs材料的近场辐射特性，在适当的参数下，可以明显增强近场热辐射中的消逝波，并且研究了不同外磁场下含GaAs纳米线等磁光材料的近场热辐射特性，对光学仪器和辐射热管理等应用具有重要的应用价值。.项目按照研究计划完成，已发表5篇SCI收录论文，申请了2项发明专利。研究工作为非互易光学器件的实际应用提供了理论指导。