Thermal Metamaterials for Temperature Maintenance: From Advances in Heat Conduction to Future Convection Prospects
本文综述热超材料在被动温度维持中的应用,介绍无能耗恒温器、负能量恒温器和多温度维持容器,并展望对流换热下的优化方向。
2023-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices
热管理和控制中对复杂工具和方法的需求引发了新兴领域的快速发展,包括传导热超材料,纳米声学,远场和近场辐射热管理等。在此基础上,相关的研究可以被认为是对操纵物理参数和实现前所未有的传热现象的补充范例利用人造结构,如热传导中的导热率、辐射中的热发射率以及与多物理效应相关的性质。该综述分为三个部分,分别关注热流控制的三个主要类别。第一部分和第二部分分别从宏观和微观两个方面着重讨论了热传导和热辐射问题。第三部分讨论了主动引入热源或调整材料参数的多物理效应在传导和辐射,包括工作使用热对流。我们总结了在这个研究课题中的挑战和拓扑热效应,热波和量子热效应的新的可能性的审查。
2020-08-18 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
Photo-to-heat conversion of broadband metamaterial absorbers based on TiN nanoparticles under laser and solar illumination
本文从理论上研究了TiN纳米粒子在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的随机混合超柔性材料的光热加热。由于TiN纳米颗粒的等离子体性质,入射光在宽带范围(300-3000 nm)内被完全吸收,从而在这些超材料内产生热量。在不同强度的808 nm近红外激光照射下,我们预测的温升作为时间的函数与最近的实验数据吻合得很好。对于给定的激光强度,温度升高随着TiN纳米颗粒的浓度而非单调地变化,因为随着添加等离子体纳米结构而增强的热导率和吸收的能量导致对加热过程的相反影响。当该模型扩展到太阳能加热,光热行为定性相似,但温度升高小于13 $K$。本文的研究结果对今后宽带理想吸收体光热转换的实验研究具有指导意义。
2023-03-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
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
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
Bi-functional metamaterial based on Helmholtz resonators for sound and heat insulation
本研究针对环境与噪声污染下的隔音隔热需求,设计了含双亥姆霍兹谐振器的声学超材料板,通过有限元分析验证其在400Hz-2.5kHz的声衰减效果与热防护性能,优于均质及无谐振器板材。
2023-10-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Controlling mass and energy diffusion with metamaterials
本文综述了基于超材料控制能量与质量扩散的研究,提出“diffusionics”概念,从理论、应用和物理三个视角总结了热、粒子和等离子体扩散场的进展,并指出了与人工智能和拓扑结合等未来方向。
2024-02-15 physics.app-ph
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
Spatiotemporal Diffusion Metamaterials: Theories and Applications
本展望介绍时空扩散超材料的基础理论与实际构建,以实现非互易、拓扑或可调特性,并有望动态操纵扩散过程,应用于实时热编码和编程。
2024-05-10 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
Nanocavity Induced Light Concentration for Energy Efficient Heat Assisted Magnetic Recording Media
在热辅助磁纪录(HAMR)中,增强记录介质层中的光吸收可以提高能量效率并延长器件寿命。在这项工作中,我们报告的设计和实施的共振纳米腔结构,以提高光物质的相互作用内的一个cnFePt层。在Ag/SiO2/FePt三层结构中,介电SiO2层的厚度被系统地调谐以在830 nm的波长处达到最大光吸收。在优化的结构中,光反射降低了50%以上。这导致FePt层的有效激光加热,如通过红外照相机成像的。该方案对于未来HAMR技术中使用的更薄的FePt层和更短的波长具有高度可扩展性。
2018-06-13 physics.app-ph
Flexibility-assisted heat removal in thin crystalline silicon solar cells
薄晶体硅太阳能光伏器件具有通过节省材料来降低组件价格和通过减少体复合损耗来提高效率的巨大潜力。然而,组件效率随着组件温度在阳光下升高而相当敏感地降低。有效、廉价的冷却模块方法将加速薄晶体硅光致发光器件的大规模市场采用。为了实现有效的冷却,我们利用单晶硅薄膜的高度灵活性来制造波浪形太阳能电池。这些波浪形单元比传统的扁平单元具有更大的表面积,同时占据相同的投影面积。我们的实验表明,薄的波浪形晶体硅太阳能电池的温度下的阳光下,可以显着降低增加对流冷却,由于其大的表面积。通过有效排热实现的显著效率增益指向高性能薄晶体硅光伏系统,其在配置上与常规系统完全不同。
2022-09-29 physics.app-ph
Write head design for effective curvature reduction in heat-assisted magnetic recording by topology optimization
热辅助磁纪录(HAMR)中写入位的过渡曲率的减小对于未来硬盘驱动器的面密度的增加将起到重要作用。最近,提出了具有翻转的写入和返回极的写入头设计。在该设计中,写入头的大空间场梯度是显著减小过渡曲率的关键。在这项工作中,我们优化了热辅助磁纪录头的写极,以产生大的场梯度以及在热脉冲区域中的大的场。这是通过拓扑优化完成的。模拟是用dolfin伴随进行的。对于最大场梯度为$8.1\,$ mT/nm、$8.6\,$ mT/nm和$11.8\,$ mT/nm的类FePt硬磁纪录介质,采用粗粒度Landau-Lifshitz-Bloch(LLB)模型计算了其局部分辨足迹,并分析了由此产生的过渡曲率.计算了具有$50\%$硬磁材料和$50\%$软磁材料的双层结构的附加模拟。结果表明,对于两种记录介质,优化的磁头设计不会导致写入磁道的任何显着改善。因此,我们从理论上分析了有效记录时间窗口(ERTW)模型的优化写头的过渡曲率。此外,我们检查更高的场梯度如何影响曲率减小。结果表明,一个简单的优化传统的头部设计的设计是不够的,有效的曲率减少。相反,需要新的头部概念来减少过渡曲率。
2019-07-30 physics.app-ph
Near-field radiation assisted smart skin for spacecraft thermal control
热控对于航天器的正常运行至关重要。鉴于热辐射是空间中唯一的散热方式,航天器的有效热控制方法是在辐射器上涂覆可调发射率的“皮肤”,该皮肤可以根据不同的热条件调节其散热。现有的基于机械、电致变色或热致变色等工作原理的远场热辐射方案,很难结合全固态结构、主动精确调谐、热通量调谐范围大等优点。在这项工作中,我们提出了一个近场辐射辅助(NFRA)智能皮肤的热控制,可以调整散热准确,在很大的范围。它包含金属-绝缘体-半导体(MIS)结构,其中半导体层中的载流子分布可以被电改变。以这种方式,近场热通量以及最终使用有效发射率表示的皮肤发射功率可以作为所施加电压的函数来控制。初步设计表明,在-10 V ~ 100 V电压范围内,有效发射度的变化范围可达0.7以上。该工作为航天器主动热控智能蒙皮设计开辟了新的途径。
2021-03-08 physics.app-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
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
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
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
Impact of intergrain spin transfer torques due to huge thermal gradients on the performance of heat assisted magnetic recording
热辅助磁纪录(HAMR)是一种新技术,它在写入过程中使用临时近场激光加热介质来增加硬盘驱动器的存储密度。通过使用嵌入在写头中的等离子体天线,在记录介质中产生极高的热梯度(高达10 K/nm)。现有技术HAMR介质由FePtX有序合金的晶粒组成,所述FePtX有序合金的晶粒表现出由绝缘晶界分隔的高垂直各向异性。在等离子体天线附近,介质中两个8 nm宽的相邻晶粒之间的温差可以达到80 K,代表跨越晶界的~ 40 K/nm的巨大热梯度。在自旋电子学领域,已经研究了这种具有弱得多的热梯度(~ 1 K/nm,已经被认为是非常大的)的情况。在那里,它表明,由于热梯度非常大的自旋转移扭矩可以出现在磁性隧道结,甚至可以产生磁化切换。考虑到HAMR介质中由绝缘晶界分开的两个相邻晶粒可以被视为磁性隧道结,并且HAMR中的热梯度比常规自旋电子学中存在的热梯度大一到两个数量级,可以预期这些热扭矩对磁化切换动态特性以及因此对HAMR记录性能的主要影响。本文结合理论、实验和记录过程的微磁学模拟,对介质晶界隧穿电子的极化进行了研究。它示出的热面内扭矩可以有不利的影响上的记录性能,有利于反平行相邻晶粒之间的磁性对齐在介质冷却。介质设计的影响进行了讨论,以限制这些热扭矩的影响。
2017-12-08 physics.app-ph
The superior role of the Gilbert damping on the signal-to-noise ratio in heat-assisted magnetic recording
在磁纪录中,信噪比(SNR)是写入比特质量的良好指标。然而,先验地,不清楚哪些参数对SNR具有最强的影响。在这项工作中,我们调查的吉尔伯特阻尼的SNR的作用。采用原子模拟程序VAMPIRE对两种不同晶粒尺寸的类FePt硬磁材料$d_1=5\,$ nm和$d_2=7\,$ nm进行了热辅助磁纪录(HAMR)模拟。仿真结果表明,信噪比饱和阻尼常数大于或等于0.1。此外,我们可以表明,吉尔伯特阻尼与位长度一起对SNR具有主要影响,而其他写入头和材料参数对SNR仅具有较小的相关性。
2019-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Predicted Performance Bounds of Thermochromism Assisted Photon Transport for Efficient Solar Thermal Energy Storage
太阳能热能的有效存储仍然是实现可调度太阳能热系统的主要瓶颈之一。目前的工作是一个重要的一步,在这个方向上,其中,我们提出,热致变色辅助光子传输为基础的光学充电的有效潜热存储。将热致变色纳米颗粒接种到相变材料(PCM)中可以对PCM的光学性质进行动态控制-帮助光子更深地渗透,从而显着增强光子-纳米颗粒相互作用。此外,在熔化温度附近仔细地调整转变温度允许吸收的光子能量的有效非辐射衰减,并且在几乎无辐射的条件下也是如此。特别是,目前的工作有助于开发一个机制光热理论建模框架来计算熔化前进展,潜热存储和显热放电能力有关的热致变色辅助光子传输。此外,为了真正评估和量化上述充电路线的好处,还需要许多其他可能的充电路线(即,热和非热致变色光充电)。详细的分析表明,相对于热充电路线,热致变色辅助的光学充电提供了显着的增强方面的熔化前沿进展(约152%)和潜热存储容量(约167%)。总的来说,热致变色辅助的光子传输是一种协同方法,其允许以加速的速率同时收集和存储太阳能,而不需要将PCM加热到高温。
2023-03-28 physics.app-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
Improving the Signal-to-noise Ratio for Heat-Assisted Magnetic Recording by Optimizing a High/Low Tc bilayer structure
我们通过使用高/低$T_{\mathrm{c}}$双层结构来优化用于热辅助磁纪录的记录介质以降低AC和DC噪声。与以往的工作相比,小吉尔伯特阻尼$α=0.02$被认为是FePt类硬磁材料。对直径为$d=5\,$ nm、高度为$h=8\,$ nm的圆柱形记录颗粒进行了原子模拟。对不同软磁材料成分进行了试验,优化了硬、软磁材料的用量。结果表明,对于具有$α_{\mathrm{SM}}=0.1$和$J_{ij,\mathrm{SM}}=7.72\times 10^{-21}\,$ J/link的软磁材料,具有$50\%$硬磁材料和$50\%$软磁材料的组合物导致最佳结果。此外,我们分析了通过使用优化的双层结构相比于纯硬磁纪录材料,面密度可以提高多少。结果表明,优化的双层设计允许面密度为$1\,$ Tb/in $^2$,高于纯硬磁材料的面密度,同时获得相同的SNR。
2019-07-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-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
Optical Structures for Thermophotovoltaic Emitters: Power Generation from Waste Heat
本研究利用超材料和平面薄膜设计波长选择性热光伏发射器,通过仿真与实验表征其发射率特性,并实现大面积制造,以推动废热发电的实际应用。
2023-09-17 physics.app-ph physics.optics
Systematic parameterization of heat-assisted magnetic recording switching probabilities and the consequences for the resulting SNR
热辅助磁纪录(HAMR)在颗粒介质上写入的比特序列的信噪比(SNR)取决于大量不同的参数。材料特性的选择对于获得单个晶粒的切换概率是至关重要的,并且因此对于在SNR方面的写入比特的质量是至关重要的。进行了评估不同材料成分对转换抖动和切换概率的影响的研究,但这些改进最终将如何显著改变接收到的SNR并不明显。为了研究这种影响,我们开发了一个分析模型的开关概率相图,其中包含独立的参数,除其他外,过渡宽度,开关概率和曲率。不同的值导致颗粒状介质上的对应比特模式,其中读取器模型检测所得到的信号,所述信号最终被转换为参数相关的SNR值。对于4和8 nm之间的晶粒直径,我们发现,增加~ 10 dB的位长度在4和12 nm之间,增加~9dB的最大开关概率在0.64和1.00之间,下降跟踪抖动参数在0和4 nm之间的下降~5dB和增加~1dB的减少位曲率。这些结果进一步比较的SNR的理论公式。我们得到了很好的协议,即使我们显示轻微的偏差。
2019-07-08 physics.app-ph physics.comp-ph
Thermal diode assisted by geometry under cycling temperature
本文通过对带孔方板在振荡温度下的热输运建模,证明空间与时间对称性破缺可产生依赖频率和孔形的热流整流,为循环温度环境中的散热架构提供热二极管方案。
2023-08-15 physics.app-ph physics.class-ph physics.comp-ph
Simulated bifurcation assisted by thermal fluctuation
各种伊辛机的基础上,非常规计算最近已开发出实际重要的组合优化。其中,实现称为模拟分叉的启发式算法的机器已经实现了高性能,其中Hamilton动力学通过大规模并行处理来模拟。为了进一步提高模拟分岔的性能,我们在Nosé-Hoover方法的基础上引入热涨落,该方法已被用于模拟有限温度下的哈密顿动力学.我们发现,在Nosé-Hoover方法中的加热过程可以帮助模拟分叉逃离伊辛问题的局部极小值,从而提高性能。因此,我们提出了加热模拟分岔,并证明其性能的改善,通过数值求解的伊辛问题的实例高达2000自旋变量和所有到所有的连接。建议加热模拟分叉,预计将加速并行处理。
2022-03-16 cond-mat.stat-mech physics.app-ph quant-ph
Universal Scaling Formalism and Analytical Optimization Criterion for Multiscale Geometric Design of Thermoelectric Metamaterials
本研究提出宽度调制热电超材料的通用透射率标度函数,建立多尺度设计框架与最优性能解析准则,为下一代热电组件设计提供理论支撑。
2025-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Theory for heating of metals assisted by Surface Plasmon Polaritons
我们提出了一个模型占等离子体激元内的两个温度的描述,调查的作用,表面等离子体激元极化激元(SPP)在激光激发的电子和晶格之间的能量重新分配,导致表面重组的材料。这种能量转移可以导致在超短激光脉冲照射下在金属中产生激光诱导的表面结构。应用微扰论方法,从金属中自由电子的能量、动量和密度守恒方程出发,建立了双温模型+等离子体激元(TTM+P)方程。我们考虑三个子系统:晶格,热化电子和SPP,受到外部激光场照射。激光场和SPP场之间的干涉导致电子系统的空间调制能量吸收,并且通过电子-声子碰撞,周期性地形成晶格温度。对金的一维模型进行了数值分析。我们显示的晶格温度,这可能有助于激光诱导的周期性表面结构(LIPSS)的周期性调制的出现。
2021-05-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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