这张图片展示了在哥伦比亚大学工程学院徽标上面的一层SmNiO3相变材料。这种材料的透明度,可以通过室温条件下掺入电子来控制。原始状态的SmNiO3是不透明的,部分相变让材料变得半透明,完全相变则让他变得透明。

(图片来源于: Nanfang Yu, 哥伦比亚大学工程学院)


引言


电致变色材料的智能窗户,通过动态改变透明度,控制光线和热量通过,可有效提高建筑能源效率。然而,最近科学家发现新型相变光学材料SmNiO3,经过电调谐后,在更大的波长和调制幅度范围内,动态的控制光线,不仅可用于智能窗户,智能涂料,还可用于反红外侦察,光学存储器件,光通信等等领域,节能环保,应用前景十分广阔。

研究简介

哥伦比亚大学工程学院应用物理专业的助理教授Nanfang Yu,率领研究团队,找到了一种新型相变光学材料并且使用一种新型器件,动态控制光线,比现有的技术跨越更广的波长范围和更大的调制幅度。来自普杜大学、哈佛大学、雷克塞尔大学和布鲁克黑文国家实验室的研究团队,发现SmNiO3经过通电调谐后,连续处于透明和不透明状态之间,跨越的频谱范围从蓝色可见光(波长400纳米)到中红外线热辐射谱(波长几十微米)。这项研究首次调查了SmNiO3的光学属性,且证明了这种材料可在光子设备中的应用。论文最近在线发表于《高级材料》杂志上。


SmNiO3材料性能和应用前景

Yu认为,SmNiO3在光学调谐的幅度和波长范围方面的性能,是突破性的,很难有其他材料可提供这种联合属性。所以,光电元件相当需要这种材料。基于室温下的电子掺杂,在透明和不透明状态状态之间的可逆调谐,其速度十分快


因此,这种材料带来了各种令人兴奋的应用,例如:动态控制日光的“智能窗户”,红外伪装和辐射温度控制的热发射率可变涂料,光学调制器和光学存储器件。关于智能窗户,之前IntelligentThings在另外一篇文章中,也介绍过通过铟锡氧化物(ITO)纳米晶体做成电致变色材料的方案(点此阅读),大家可用于做一些对比参考。


另外,SmNiO3材料还可用于控制热辐射,构建“智能”涂料,进行红外伪装和温度调节。这些涂料,可以让人员和汽车变得比他们实际上更“冷”,从而让热成像夜视摄影机无法识别,还可以可通过调整相对于太阳明亮面和黑暗面的相对热辐射,减少卫星上的大温度梯度,从而延长卫星的生命周期。

主动光学器件的研究

研究人员,一直尝试构建主动光学器件,用于动态控制光线。这些包括:波音787梦幻客机用于控制(不是完全)光线传输的“智能窗户”、用于激光写入和擦除数据的可重写DVD光盘、信息可通过调制器“写”入光束的高速率长距离光纤通信系统。主动光学器件,在日常生活中变得越来越普遍。然而,因为很难寻找到高级主动可调谐的光学材料,以及恰当设计器件架构以放大这些可调谐材料的效果。

哈佛大学的材料科学副教授Shriram Ramanathan,发现了SmNiO3在室温下巨大的可调电阻率,引起了Yu的注意。2013年,二人在IEEE光子学会议上会面且决定合作。Yu和他的学生,与这项论文的合著者Ramanathan,一起展开了对于相变材料的最初的光学研究,将材料集成进“metasurfaces”纳米结构光学接口中,创造了主动光电器件的原型,包括控制光束的光学调制器,以及控制热辐射效率的可变发射率涂料。

电子掺杂改善SmNiO3的性能

这项论文的领导作者,Yu的博士生Zhaoyi Li认为,SmNiO3是一种不同寻常的材料,因为当它掺杂更多电子后,电学上更加绝缘,光学上更加透明。这和普通材料例如半导体,恰恰相反。

掺杂的电子会和材料中的电子“锁”成一对,这种量子力学现象叫做“强关联电子”,这种现象让这些电子不能传导电流和吸收光线。所以,经过电子掺杂之后,原本不透明的SmNiO3薄膜,突然可以让70%的可见光和红外光线通过。

制造技术方面的挑战

Zhaoyi认为,研究中最大挑战,就是将SmNiO3集成进光学器件。为了应对这个挑战,研究人员开发了特殊的纳米制造技术,在SmNiO3薄膜上形成metasurface结构。另外,他们还精心挑选设备架构和材料,确保激活SmNiO3的制造工艺所需要设备承受的高温和高压。

未来展望

研究人员计划下一步对于理解SmNiO3相变的科学基本知识进行系统研究,并且探索其他的技术应用。团队将研究相变的固有速度,以及材料可承受的相变循环的周期数。他们也将致力于解决技术问题,例如合成超薄和平滑的材料,开发纳米制造技术将材料集成进新型平面光学器件

Yu认为,这项研究是迈向实现他们实验室目标的重要一步,让一个光学接口成为一个功能性的光学器件,希望通过”平面光学器件”在光线和二维结构材料之间的强大交互能力,随意控制光线,从而取代笨重的光学设备和组件。这种相变材料的发现及成功集成进入平面光学器件结构中,是实现主动平面光学器件研究进程中的一次重大飞跃,相对于我们目前使用的器件,不仅是性能的提升,而且带来了更多崭新的功能。

研究团队简介



研究人员Zhaoyi Li 和 Nanfang Yu

(图片来源于: Nanfang Yu, 哥伦比亚大学工程学院)

Yu的团队包括Ramanathan,他的哈佛大学博士生You Zhou,和他的普度大学博士后Zhen Zhang,合成了相变材料和进行了一些相变实验(这项研究开始于哈佛大学,然后当Ramanathan转移到普度大学后继续);德雷塞尔大学材料科学教授Christopher Li,博士生Hao Qi,研究科学家Qiwei Pan,帮助制造了固态器件,将SmNiO3和新型固体聚合物电解质进行整合;布鲁克黑文国家实验室科学家Ming Lu和Aaron Stein,帮助了设备的纳米制造。哥伦比亚大学应用物理和应用数学工程学院材料科学与工程教授Yuan Yang,为研究提供同步咨询。


参考资料

【1】Zhaoyi Li, You Zhou, Hao Qi, Qiwei Pan, Zhen Zhang, Norman Nan Shi, Ming Lu, Aaron Stein, Christopher Y. Li, Shriram Ramanathan, Nanfang Yu. Correlated Perovskites as a New Platform for Super-Broadband-Tunable Photonics. Advanced Materials, 2016; DOI: 10.1002/adma.201601204

【2】http://engineering.columbia.edu/news/optical-material-light-thermal-radiation


新材料SmNiO3:应用于智能窗户 动态控制光线
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