Mie谐振电介质颗粒超材料热辐射特性的机理研究

Research on thermal radiative properties and radiative heat transfer of metamaterials is one of the frontier research fields in microscale/nanoscale thermal radiation. A host medium consisting of sub-wavelength dielectric particles forms a new kind of metamaterials. This material is easy to fabricate and isotropic. The research on the Mie-resonance dielectric (MRD) metamaterials is rare. This project focuses on mechanisms of thermal radiative properties of MRD metamaterials. Effects of optical constants of host medium and particles, particle parameters, and particle spatial distribution on the radiative prosperities of MRD metamaterials will be studied. Spectral reflectances, absorptances, transmittances and emittances will be investigated. Mechanisms of thermal radiative properties will be analyzed. Results from a rigorous electromagnetic theory will be compared to those obtained from Mie theory and effective medium theory. The accuracy of the application of Mie theory and effective medium theory will be evaluated. The findings of this project can server as a theoretical foundation for tuning radiative properties of MRD metamaterials and are beneficial to the relevant research on MRD metamaterials.

超材料热辐射的相关研究是国际微纳尺度热辐射领域的前沿研究。以亚波长大小的电介质颗粒分布在基体中形成的超材料是国际上近几年出现的新型超材料。这种材料制备比较简便，可构造出各向同性材料。国际上对Mie谐振电介质颗粒超材料的研究较少。本项目对Mie谐振电介质颗粒超材料的热辐射特性进行研究，得出电介质颗粒和基体光学性质、颗粒形貌、颗粒空间分布等因素对超材料热辐射特性的影响规律，确定发射率和吸收率等热辐射物性对波长的分布特点，揭示Mie谐振电介质颗粒超材料热辐射特性的影响作用机理，为超材料热辐射特性的调控提供理论基础。同时，采用精确的电磁波求解方法，与Mie理论结合有效介质理论求解方法得出的结果进行比较，探讨Mie理论结合有效介质理论求解方法的精确性。本项目的研究工作具有重要的科学意义，项目成果可以促进相关方面的研究。

超材料热辐射的相关研究是国际微纳尺度热辐射领域的前沿研究。国际上对由Mie谐振电介质颗粒构成超材料的热辐射特性的研究较少。本项目对Mie谐振电介质颗粒超材料的热辐射特性进行研究。主要研究了材料、颗粒体积分数、颗粒形貌、粒径分布等因素对超材料光学常数、以及反射率、吸收率、发射率等热辐射特性的影响；研究了颗粒有序排列和无序排列对材料热辐射特性的影响，以及不同理论分析方法精确性。制备了不同的纳米颗粒，研究了纳米颗粒的光学特性；制备了不同材料形成的粒子系，研究了材料和颗粒体积分数等对粒子系辐射特性的影响。研究发现，不同金属材料和基体所形成的复合薄膜，Au和Ag等金属颗粒构成的超材料均具有明显的吸收峰，但是Cu颗粒构成的超材料并没有明显的吸收峰。正方体型和金字塔形纳米颗粒所形成的复合薄膜吸收峰，比球形纳米颗粒所形成的复合薄膜吸收峰高、共振吸收峰半高宽变宽。球形核壳结构纳米颗粒构成的超材料，对光的吸收呈现出两个吸收峰；调整纳米颗粒的核壳占比可改变所形成超材料的吸收情况，短波处的吸收峰位置相对固定，波长较大的吸收峰的位置可以在可见光范围至近红外区域中调节。对于椭球形纳米颗粒形成的超材料，短波处的吸收峰位置和强度基本不变，波长较大的吸收峰的位置可通过椭球体的形状进行调节。颗粒规则排列复合薄膜的吸收峰一般高于颗粒随机分布复合薄膜的吸收峰，当体积分数小于10%，吸收峰强度可提高20%—25%。采用时域差分有限方法，与Mie理论结合有效介质理论分析方法得出的结果进行比较，发现Bruggeman理论计算结果在吸收峰值比Maxwell-Garnett理论更加符合FDTD得出的精确解。制备了核壳结构Ag2S/Ag颗粒，理论分析得出八角形的核壳结构颗粒在可见及近红外波长范围内存在多个吸收峰，研究了核壳结构Ag2S/Ag颗粒分散形成的纳米流体的吸收特性。本项目的研究工作具有一定的科学意义，研究成果可以促进Mie谐振电介质颗粒超材料热辐射特性研究的开展。