Energy conversion from heat to electricity by highly reversible phase-transforming ferroelectrics
由于多铁性材料的铁性随温度的变化而变化,使其成为热能、电能、磁能和机械能之间的转换介质,因此寻找高性能的多铁性材料成为能源科学领域的研究热点。在这里,我们报告了一种材料开发策略,该策略指导我们发现一种可逆相变铁电材料,该材料可从微小的温度差中获得持久的能量。该材料满足极性相和非极性相之间的晶体学相容性条件,表现出仅2.5C的热滞后和高品质因数。在没有任何偏置场的情况下,它在连续的热力学循环中稳定地产生15 uA的电力。我们证明了我们的器件在540个完整的相变循环中在100 C附近始终产生6 uA/cm 2的电流密度,而没有任何电气和功能退化。该能量转换装置可以直接点亮LED,而无需附加外部电源。这种有前途的材料候选者使低品位废热收集更接近实际实现,例如,水沸点附近的小温度波动可以被认为是清洁能源。
2021-06-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Heat equations beyond Fourier: from heat waves to thermal metamaterials
本文综述超越 Fourier 的热传导模型,结合实验梳理其原理、背景、局限与适用现象,为热波及热超材料设计提供统一认识。
2023-07-25 cond-mat.stat-mech physics.app-ph
Enhancing Solar Thermal Energy Conversion with Silicon-cored Tungsten Nanowire Selective Metamaterial Absorbers
这项工作的实验研究硅芯钨纳米线选择性超材料吸收,以提高太阳能热能收集,简单地制造保形涂层薄钨层到商业硅纳米线邮票。扫描电子显微镜用于表征钨沉积前后的形貌变化,而光学光谱学用于测量从太阳光谱到红外的宽波长范围内的光谱吸收率(或发射率)。结果表明,钨纳米线吸收器表现出几乎相同的总太阳吸收率约为0.85的硅纳米线,但大大降低了总发射率下降到0.18,这可以显着抑制红外发射热损失。实验室规模的太阳热测试装置用于测量钨纳米线吸收剂从1到20个太阳的太阳热效率,实验证明了由于硅纳米线和黑色吸收剂的优异光谱选择性而提高的性能。通过详细的传热分析,发现钨纳米线吸收体在6.3个太阳下的停滞温度为273 ℃的太阳热测试中,在203 ℃的温度下达到41%的实验效率。预计在相同温度203摄氏度下达到74%的效率,实际应用的停滞温度为430摄氏度,而没有来自侧表面和底表面的寄生辐射损耗,大大优于硅纳米线和黑色吸收剂。研究结果将有助于以低成本开发新型超材料选择性吸收器,用于高效太阳能热能系统。
2020-08-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Designing nonlinear thermal devices and metamaterials under the Fourier's law: A route to nonlinear thermotics
利用非线性传热可以揭示新的传热现象,从而提高人们随意操纵热流的能力。然而,至今还没有一门像光学、声学中的非线性热学那样成熟的学科来系统地总结这方面的研究。在本文中,我们重点介绍了非线性传热的一个重要部分,即,根据傅立叶定律定制非线性热器件和超材料,特别是热导率随温度变化的材料。我们将介绍基本的设计技术,包括直接求解方程和变换理论。对多物理场效应引起的非线性的调谐,以及如何利用有效介质理论计算非线性导电复合材料的有效性质进行了讨论。基于这些理论,研究人员成功地设计了各种功能材料和器件,如热二极管,热晶体管,热存储元件,无能量恒温器和智能热材料,其中一些也在实验中实现。这些唯象工作为非线性热学的发展提供了一条可行的途径。
2021-03-06 physics.app-ph
Non-Hermitian physics and topological phenomena in convective thermal metamaterials
本文综述了对流热超材料中非厄米物理与拓扑现象的实现,涵盖奇异点及其扩展、一维和二维拓扑绝缘体等关键工作,并展望其工业应用前景。
2023-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Reconfigurable, zero-energy, and wide-temperature loss-assisted thermal nonreciprocal metamaterials
提出利用天然块体垂直板片的非对称自然对流热损耗打破热传导反演对称性,实现可重构、零能耗、宽温域热非互易性。
2024-10-25 physics.app-ph
Realizing chameleonlike thermal rotator with transformation-invariant metamaterials
本文提出一种由变换不变材料制成的变色龙式热旋转器,可随背景自适应改变热导率并在不扭曲背景温度场的情况下旋转热流,兼具形状与功能不变性,为自适应热学超器件设计提供新思路。
2023-09-18 physics.app-ph physics.optics
Convective Heat Transfer in Porous Materials
本文综述了利用多孔材料协调热对流与热传导、构建混合热超材料的最新进展,并展示了其在变换热学中实现可调对流传热的潜力。
2023-09-23 physics.app-ph
NV-Metamaterial: Tunable Quantum Hyperbolic Metamaterial Using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
我们发现,金刚石中的氮空位(NV)中心可以产生一种新的量子双曲超材料。我们证明,双曲线色散关系的NV中心的金刚石可以工程和动态调谐通过施加磁场。这种具有可调负折射窗口的量子双曲超材料允许构建超过衍射极限的超透镜。除了亚波长成像之外,这种NV超材料还可以用于自发发射增强、热传输和声学、模拟宇宙学和寿命工程。因此,我们的建议将两个热点领域联系起来,即,NV中心和超材料。
2018-02-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Snap-Through Thermomechanical Metamaterials for High-Performance Thermal Rectification
提出一种结合SMA弹簧与预屈曲铜带的热机械超材料热二极管,通过双稳态跳变实现高效非互易热传输,热整流比超900且具高可扩展性。
2025-06-30 physics.app-ph
Emergence of Seismic Metamaterials: Current State and Future Perspectives
随着电磁超材料在世纪之交的出现,在波动物理学其他领域工作的研究人员已经将电磁超材料的概念转化为声学,弹性动力学以及热,质量和光扩散过程。在弹性动力学中,地震超材料是在过去十年中出现的,用于米级结构的软土,并且由于五年前在多孔土壤上进行的全尺寸实验而得到了测试。地震异向介质生长于土壤中,在埋于土壤中、建筑物地基周围或土壤-结构界面附近的调谐谐振器场和地表以上谐振器场同时生长。在这篇透视文章中,我们快速回顾了所有这些类型的地震超材料的一些研究进展,我们进一步梳理了哪些材料参数可以实现,哪些不能实现,特别是从有效介质理论的角度来看。最后,我们展望了未来发展的大规模拉胀超材料的建筑物的基础,森林的树木抗震保护和超材料一样,在城市规模的城市化改造。
2017-12-25 physics.app-ph physics.geo-ph
Radiative thermal switch via metamaterials made of vanadium dioxide-coated nanoparticles
本文提出一种基于VO2包覆核壳纳米颗粒超材料的近场辐射热开关,通过壳层与核的耦合增强绝缘态传热并阻断金属态激发,使开关比相比传统VO2平板提高2倍以上,在100 nm真空间隙下达到90.29%,为热光子逻辑电路提供了新途径。
2023-09-20 physics.app-ph physics.optics
Metamaterial Thermoelectric Conversion
我们提出了一种热电装置,即使在均匀的温度环境中也可以产生热梯度。我们介绍了一种超材料吸收体(MA),它包括一个透明的氟化钙层夹在银镜层和银微盘阵列,在一个热电装置的一端由碲化铋锑。器件的MA和相对电极的加热效率是不平衡的;因此,诱导了塞贝克效应,导致发电。我们在热电器件上的铜电极上制备了MA,并将该器件置于364 K的恒温环境中。通过实验测量了器件上的热梯度,发现为0.14 K。
2022-05-15 physics.app-ph physics.optics
Data-driven design of multilayer hyperbolic metamaterials for near-field thermal radiative modulator with high modulation contrast
提出数据驱动的机器学习工作流程,结合多层感知机和贝叶斯优化设计由 $α$-MoO$_{\ m 3}$ 组成的多层双曲超材料,实现了 6.29 的最大热调制对比度,较单层结构提升 97%,为近场热辐射调制器设计提供了新途径。
2023-10-05 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Integrated and Spectrally Selective Thermal Emitters Enabled by Layered Metamaterials
亚波长尺度的光-物质相互作用的纳米光子工程允许与传统热发射器根本不同的热辐射,并为各种热光子应用提供了令人兴奋的机会。我们提出了一种新的集成和电控热发射器,利用分层超材料与光刻免费和介电/金属纳米层。我们从理论上和实验上证明,所提出的概念可以创建一个强大的光子带隙在可见光区,并允许在红外波长小的阻抗失配,这引起了显着增强的发射率在宽红外波长的1.4-14微米的光学功能,以及有效地抑制在可见光区的发射率。电驱动超材料器件在高达~800 K的温度下具有光学和热稳定性,电光转换效率达到~ 30%。我们相信,所提出的高效热发射器将为各种热光子应用的集成红外线源平台铺平道路,特别是为成本效益高、紧凑、低眩光和节能的红外加热提供了一种新的替代方案。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics
Clay metaBrick-based motif to enhance thermal and acoustic insulation
本文提出将亥姆霍兹共振器集成到标准粘土空心砖中形成metaBrick,在500-2500 Hz宽频范围内实现20 dB声衰减并使热阻提高8%,抗压强度虽降低33%但仍满足建筑规范要求,证明其作为高性能隔声隔热建筑材料的潜力。
2025-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Generalized many-body approach for near-field radiative heat transfer between nonspherical dipoles
提出一种广义多体方法计算非球形偶极子间近场辐射传热,通过后验定义极化率,并验证了椭球颗粒系统的热导调控及各向异性辐射热导率。
2025-09-09 physics.app-ph physics.comp-ph
Graded nanocomposite metamaterials for a double-sided radiative cooling architecture with a record breaking cooling power density
辐射制冷是一种新兴的无电制冷技术,它利用太空作为散热器。因此,通常需要一个面向天空的热发射器。由于环境温度下的黑体辐射限制,单面辐射冷却装置的最大冷却功率密度为~156.9 W/m2。在这里,我们报告了一个双面辐射冷却架构使用梯度纳米复合材料(GNM)设计的垂直对齐的热发射器。这种GNM结构在整个太阳光谱中具有超过90%的光吸收,并且在中红外光谱区域中具有超过90%的反射。通过这种结构,可以利用平板型散热器的两面进行辐射冷却,并在单个薄膜型散热器中实现了超过280 W/m2的创纪录冷却功率密度。在标准压力下,我们在实验室环境中实现了比环境温度低14摄氏度的温度降低,在室外测试中超过12摄氏度。
2020-03-23 physics.app-ph physics.optics
Expanded-plane bilayer thermal concentrator for improving thermoelectric conversion efficiency
针对热电器件效率低及热集中器受结构和材料热导率限制的问题,本文设计扩展平面双层热集中器,并通过解析、仿真与实验验证其可提升约38%的热电转换效率。
2024-01-21 physics.app-ph
Broadband High-Temperature Multilayer Pyramid-Shaped Metamaterial Thermal Absorber for Thermophotovoltaic applications
针对热光伏系统对宽带热稳定吸收器的需求,提出偏振无关截断金字塔形MIMI结构超材料吸收器,设计六种结构并优化,W/AlN结构表现出优异的宽带吸收、角度稳定性及热稳定性,为TPV应用提供支撑。
2025-09-23 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Reconfigurable Ultrafast Thermal Metamaterial Pixel Arrays by Dual-Gate Graphene Transistors
本文提出一种集成双栅极石墨烯晶体管与有源超表面的可重构超快热超材料像素阵列,通过解耦热产生与发射设计,实现空间、时间和波长上的灵活热输出编程,并实验演示了26个字母的逐行扫描显示。
2025-06-04 physics.app-ph physics.optics
Optimal materials for maximum near-field radiative heat transfer
我们考虑了所有因果体材料,二维材料和超材料的最大近场辐射传热(RHT)的空间。因果关系限制了等离子体反应可以发生的带宽,解释了理想材料的两个关键特征:小本底折射率(2D材料中最小的高能跃迁)和Drude样自由载流子响应,它们一起最佳地产生超过理论最先进水平的10倍增强。我们确定了透明导电氧化物,III-氮化物,和石墨烯作为材料,如果掺杂以在我们所称的“近场维恩频率”下表现出等离子体共振,则应该提供接近理想的近场RHT速率。“深亚波长图案化可以提供边际进一步增益,代价是极小的特征尺寸。最佳材料在300 K温度下具有中等的损耗率和19 μm的等离子体响应,这表明在中远红外波长下等离子体的新机会,具有低载流子浓度并且不需要最小化损耗。
2020-07-27 physics.app-ph physics.optics
Enhanced deep-tissue photoacoustics by using microcomposites made of radiofrequency metamaterials and soft polymers: Double- and triple-resonance phenomena
光声成像系统提供了一个高分辨率的平台,以探索身体组织,食物和艺术品。另一方面,等离子体激元构成共振加热和热膨胀的源以产生声波。然而,它的相关技术严重局限于激光穿透和非特异性热疗的样品。为了解决这个问题,目前的工作采用了光声的范式转变。通过模拟由随机复合材料制成的微粒,可以使计算的压力类似于或优于经由等离子体光声计算的压力。这种改进是由于一种称为双重或三重共振的现象,即在射频范围内激发一种或两种电和磁等离子体,同时激发粒子的声学模式。由于电磁脉冲被限制在纳秒脉冲宽度和MHz频率,所提出的方法克服了在组织中的渗透性差,并减少了热损伤,从而提供了一种非侵入性的治疗诊断技术。此外,获得的共振压力比传统的光声压持续时间更长,提供了增强检测的中心特征。为了充分理解多共振框架,我们开发了一个完整的光声解决方案。该方法可以为敏感材料和组织的热声成像和操作方法铺平道路。
2022-08-26 physics.app-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Convective meta-thermal concentration for ultrahigh efficient Stirling engine with waste heat and cold utilization
本研究提出对流超热浓度(CMTC)技术,通过交替使用高低导热材料增强斯特林发动机冷热端温差,突破废热废冷资源限制,实现高达1460%的热效率提升。
2024-01-08 physics.app-ph
Electrically Driven Hyperbolic Nanophotonic Resonators as High Speed, Spectrally Selective Thermal Radiators
我们介绍和实验证明了一类新的电驱动的热发射器的基础上,全球对齐的碳纳米管超材料图案化的纳米带。超材料带表现出具有极端各向异性的电子和光子特性,这使得沿着一个轴的低损耗、波长压缩的双曲光子模式和沿着另一个轴的高电阻率和有效的焦耳加热成为可能。在单个芯片上批量制造的器件发射线性偏振的热辐射,其峰值波长由其双曲线共振决定,并且其低热质量产生高达1兆赫的红外辐射调制率。作为概念验证演示,我们展示了单个芯片上的两组热发射器,每个都以不同的光谱峰值位置和调制率工作,可以用于用单个检测器检测二氧化碳。我们预计,批量制造,宽调制带宽和定制的光谱调谐与双曲线芯片为基础的热发射器的组合将使传感,成像和计量应用的多路复用红外光源的新模式。
2022-01-08 physics.app-ph physics.optics
Reconfigurable Three-Dimensional Thermal Dome
本文提出一种可重构的三维热力圆顶,利用开放功能区和各向同性天然材料实现动态热隐形,克服了传统斗篷封闭性强、设计复杂等局限,仿真与实验均验证了其有效性。
2024-01-07 physics.app-ph