CN114442340A - 一种基于p-n结的近场辐射热流调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热流调制器件技术领域，尤其涉及一种基于p‑n结的近场辐射热流调制器，包括：依次设置的第一金属层、p型半导体层、n型半导体层和第二金属层；其中，p型半导体层和n型半导体层之间存在微纳米量级的真空间隙，用于实现辐射换热；第一金属层连接直流电源的正极，第二金属层连接直流电源的负极，构成电极对，用于对p型半导体层和n型半导体层施加统一的电场。本发明提供的近场辐射热流调制器能够建立连续的热流‑电压关系，调节范围大，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及热流调制器件技术领域，尤其涉及一种基于p-n结的近场辐射热流调制器。
背景技术
当物体间距小于热辐射的特征波长，达到微纳米量级时，由于倏逝波的光子隧穿，使得辐射换热超越黑体辐射极限，此即近场辐射换热，近场辐射换热可比远场辐射增强数个量级。因此，准确调控近场换热在热回路、热利用与回收、制冷、微纳尺度热成像等方面具有重要应用前景。
利用电压控制近场换热(即电控近场换热)是一种实用性强且灵活的热流调制方式。目前已公开的电控近场换热机制主要有：通过外加电压调节铁电材料光学特性、电致变色材料特性、光子化学势、石墨烯化学势、石墨烯漂移电流等。这些方式通常不能建立起连续、准确的热流-电压关系，且调节范围较小。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种能够建立连续的热流-电压关系，且调节范围大的近场辐射热流调制器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于p-n结的近场辐射热流调制器，包括：依次设置的第一金属层(2)、p型半导体层(4)、n型半导体层(7)和第二金属层(9)；
其中，所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)之间存在微纳米量级的真空间隙(6)，用于实现辐射换热；所述第一金属层(2)连接直流电源的正极，所述第二金属层(9)连接直流电源的负极，构成电极对，用于对所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)施加统一的电场。
可选地，所述第一金属层(2)与所述p型半导体层(4)之间设有第一绝缘体(3)，所述n型半导体层(7)与所述第二金属层(9)之间设有第二绝缘体(8)。
可选地，所述的近场辐射热流调制器还包括：第一基底(1)和第二基底(10)，分设在所述第一金属层(2)和所述第二金属层(9)的外侧。
可选地，所述的近场辐射热流调制器还包括：间隔物(5)，设置在所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)之间，用于形成真空间隙(6)。
可选地，所述真空间隙(6)的厚度范围为10～500nm。
可选地，所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)的厚度相等。
可选地，所述p型半导体层(4)的材质为p-Si，所述n型半导体层(7)的材质为ITO。
可选地，所述p型半导体层(4)的材质为p-Si，所述n型半导体层(7)的材质为n-Si。
可选地，所述第一绝缘体(3)和所述第二绝缘体(8)的材质为Si3N4。
可选地，所述第一金属层(2)的横截面积大于所述p型半导体层(4)的横截面积，所述第二金属层(9)的横截面积大于所述n型半导体层(7)的横截面积。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于p-n结的近场辐射热流调制器，该近场辐射热流调制器包括载流子电性相反的p型半导体层和n型半导体层，二者之间形成微纳米量级的真空间隙，用于辐射换热，外侧分设金属层构成的电极对，在外加的统一电场中，p型半导体层和n型半导体层中的空穴和电子同时向中间的真空间隙处聚集，通过改变载流子分布，进而实现调节近场辐射热流，本发明提供的近场辐射热流调制器能够实现建立连续的热流-电压关系，调节范围大，且易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例中一种近场辐射热流调制器结构示意图；
图2是本发明一实施例中选择不同绝缘材料时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图3是本发明一实施例中选择不同半导体厚度时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图4是本发明一实施例中选择不同绝缘体厚度时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图5是本发明一实施例中选择不同掺杂浓度的半导体时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图6是本发明一实施例中选择不同真空间隙时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图7是本发明另一实施例中选择不同半导体厚度时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线；
图8是本发明一实施例中选择不同材质半导体时近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线。
图中：1：第一基底；2：第一金属层；3：第一绝缘体；4：p型半导体层；5：间隔物；6：真空间隙；7：n型半导体层；8：第二绝缘体；9：第二金属层；10：第二基底。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，目前已公开的电控近场换热机制主要有：通过外加电压调节铁电材料光学特性、电致变色材料特性、光子化学势、石墨烯化学势、石墨烯漂移电流等。这些方式通常不能建立起连续、准确的热流-电压关系，且调节范围较小。有鉴于此，为提供一种性能更优且易于实现的热流调制器，本发明提出将载流子电性相反的p型半导体和n型半导体配合使用，设计出一种简单易行的、类似电学p-n结型结构的近场辐射热流调整器，以优化近场辐射热流调节效果。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于p-n结的近场辐射热流调制器，从上到下(以图1所示的方位为准)包括：依次设置的第一金属层2、p型半导体层4、n型半导体层7和第二金属层9；其中，p型半导体层4和n型半导体层7构成半导体对，二者之间存在有微纳米量级的真空间隙6，用于实现辐射换热；第一金属层2连接直流电源的正极，第二金属层9连接直流电源的负极，第一金属层2和第二金属层9构成电极对，用于对p型半导体层4和n型半导体层7施加统一的电场。设计时，第一金属层2、p型半导体层4、n型半导体层7和第二金属层9之间的理想状态是相互平行。上述“微纳米量级”是一个概括性的表述，其含义为：小于热辐射特征波长，以实现近场辐射换热，该特征波长300K时为9.7μm。p型半导体层4与n型半导体层7之间形成微纳米量级的真空间隙6后，即可分别用作热流的发射器与接收器(或接收器与发射器)进行近场辐射换热。
可选地，第一金属层2与p型半导体层4之间设有第一绝缘体3，n型半导体层7与第二金属层9之间设有第二绝缘体8。第一绝缘体3、第二绝缘体8可防止真空间隙6击穿。
本发明的具体工作原理如下：
在直流电源VC的正向电压作用下，p型半导体层4中的载流子(空穴)分布和n型半导体层7中的载流子(电子)分布会发生变化，受到电场驱动，p型半导体层4中的空穴向下移动(以图1所示的方位为准)，n型半导体层7中的电子向上移动(以图1所示的方位为准)，而真空间隙6绝缘，载流子无法进入，故空穴在p型半导体层4与真空间隙6的交界面处聚集，电子在n型半导体层7与真空间隙6的交界面处聚集，具体的载流子分布可由泊松方程求解，表达式为：
其中，x是位置坐标；ψ表示电势，是x的函数；ε是介质的直流介电常数；q是单位电子电荷，等于1.602×10-19As。ND、NA、p(x)、n(x)分别表示半导体掺杂杂质施主、受主、空穴、电子的浓度。由于p型半导体层4与n型半导体层7的两侧均绝缘，根据电荷守恒，其在外加电压下应满足整体的电中性条件。该条件也是泊松方程的定解条件。
载流子分布的改变依次导致等离子频率和介电函数的改变，并最终造成近场换热特性的改变。等离子频率可根据
确定，其中Nc为载流子浓度，e为电子电荷量，ε0为真空介电常量，m*为载流子的等效质量。重掺杂半导体的介电函数可由Drude模型描述。近场辐射热流qnear,net由涨落电动力学求得：
其中，
为在角频率ω和平衡温度T下普朗克振子的平均能量；
为普朗克常量除以2π；kB为玻尔兹曼常量；β为平行于界面的波矢分量。ξ(ω,β)＝∑ξj(ω,β)为光子隧穿概率，包括s偏振态和p偏振态的贡献：
其中，Im()表示取复数的虚部；
为真空中垂直于界面的波矢分量；k0＝ω/c为真空波矢幅值；
是真空和介质i之间j偏振态的等效反射系数(对于发射器，i＝1；对于接收器，i＝2)，对于多层介质，可采用传输矩阵法(TMM)求解；
为等效反射率。
本发明提供的近场辐射热流调制器包括载流子电性相反的p型半导体层4和n型半导体层7，在外加的统一电场下，p型半导体层4中的空穴和和n型半导体层7中的电子同时向中间的真空间隙6聚集，通过调整电压改变载流子分布，即可调节近场辐射热流。通过数值模拟，本发明提供的近场辐射热流调制器能够建立连续的热流-电压关系，调节范围大，且对于第一金属层2、p型半导体层4、n型半导体层7和第二金属层9的尺寸(厚度、横截面积等)没有严苛的数值要求，易于生产；通过构成电极对的第一金属层2和第二金属层9能够便捷地对p型半导体层4和n型半导体层7施加电场，易于实现。
可选地，如图1所示，该近场辐射热流调制器还包括第一基底1和第二基底10，第一基底1和第二基底10分设在第一金属层2和第二金属层9的外侧，即，第一基底1设在第一金属层2相对远离第二金属层9的一侧，第二基底10设在第二金属层9相对远离第一金属层2的一侧。第一基底1和第二基底10本身不影响近场辐射热流调制效果，但通过分别在第一基底1和第二基底10的表面上镀膜制作第一金属层2和第二金属层9，能够令该近场辐射热流调制器更小型化，且易于加工，并能够保护作为电极对的第一金属层2和第二金属层9，降低生产成本与工艺难度。
可选地，该近场辐射热流调制器还包括间隔物5，如图1所示，间隔物5设置在p型半导体层4和n型半导体层7之间，用于形成真空间隙6。通过设置间隔物5，能够确保p型半导体层4和n型半导体层7之间的真空间隙6长期保持稳定，从而使得整体器件性能稳定，且易于制作。进一步地，间隔物5可为纳米圆柱阵列。纳米圆柱阵列的材质可选用二氧化硅，通过刻蚀制成柱状。该间隔物5不导电且足够坚固，易于加工。
可选地，真空间隙6的厚度范围不超过2μm，更优选为10～500nm。当真空间隔6范围过小，会对器件制作提出更高的要求(如需要加工更微小的间隔物5)，不易实际生产，而真空间隔6范围过大，可能导致热流调节比偏小，即调节范围偏小。热流调节比R＝(高电压下热流-无电压热流)/无电压热流。
可选地，p型半导体层4和n型半导体层7的厚度相等。p型半导体层4和n型半导体层7的厚度范围可根据需要设置，优选为10～400nm。当半导体层，即p型半导体层4和n型半导体层7，厚度过小，同样会增加器件制作难度，而厚度偏大则会减小近场热流的调节范围，且不利于节约资源与器件小型化。
可选地，p型半导体层4与n型半导体层7的材质可以相同也可以不相同，如p型半导体层4的材质为p-Si(p型硅)，n型半导体层7的材质为ITO(氧化铟锡)，以便获得相对较大的调节范围。p型半导体层4与n型半导体层7的材质也可以均为硅，如p型半导体层4的材质为p-Si，n型半导体层7的材质为n-Si(n型硅)。p型半导体层4与n型半导体层7的掺杂浓度优选不大于1018cm-3，同样可以获得较佳的调节范围。
第一绝缘体3和第二绝缘体8作为绝缘体，作用是防止真空间隙6击穿，其存在与否不影响器件功能的实现。不设置第一绝缘体3和第二绝缘体8时，金属层和半导体层直接接触，设置第一绝缘体3和第二绝缘体8时，二者不为“空”(即金属层和半导体层不直接接触)，其材质可以相同也可以不相同。例如，第一绝缘体3和第二绝缘体8的材质可以是单层的Si3N4、SiC、空气等绝缘材料，也可以是复合的多层绝缘材料。
可选地，如图1所示，第一金属层2的横截面积大于p型半导体层4，第二金属层9的横截面积大于n型半导体层7的横截面积，即，电极对所覆盖的面积大于半导体对所覆盖的面积，以便对p型半导体层4和n型半导体层7施加统一电场，同时对半导体起到保护作用。
以下为本发明列举的具体实施例。
实施例1
一种基于p-n结的近场辐射热流调制器，包括依次设置的第一金属层2、p型半导体层4、n型半导体层7和第二金属层9；其中，p型半导体层4和n型半导体层7之间存在微纳米量级的真空间隙6，用于实现辐射换热；第一金属层2与p型半导体层4之间设有第一绝缘体3，n型半导体层7与第二金属层9之间设有第二绝缘体8；第一金属层2连接直流电源的正极，第二金属层9连接直流电源的负极，第一金属层2和第二金属层9构成电极对，用于对p型半导体层4和n型半导体层7施加统一的电场。具体地，其中：第一金属层2的材质为Al；第一绝缘体3为单层绝缘层，厚度(t3)为100nm；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si，厚度(t4)为100nm；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si，厚度(t7)为100nm；第二绝缘体8为单层绝缘层，厚度(t8)为100nm；第二金属层9为Al。图2示出了第一绝缘体3和第二绝缘体8分别为SiC-SiC(即第一绝缘体3为SiC且第二绝缘体8为SiC)、Si3N4-Si3N4、Si3N4-SiC(即第一绝缘体3为Si3N4且第二绝缘体8为SiC)、SiC-Si3N4四种情况的近场辐射热流随直流电源电压VC的变化曲线。电压VC在0-100V范围内调节。可见，第一绝缘体3和第二绝缘体8均选择支持表面声子激元的SiC时，近场热流的值比其余三种情况整体偏高，但调节范围较小。四种情况的热流调节比R分别为3.64、65.12、38.39、38.15。
实施例2
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3为单层Si3N4，厚度(t3)为100nm；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si；第二绝缘体8为单层Si3N4，厚度(t8)为100nm；第二金属层9为Al。图3示出了p型半导体层4的厚度(t4)和n型半导体层7的厚度(t7)分别为50nm、100nm、200nm、400nm四种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线(t4＝t7)。电压VC在0-100V范围内调节。可见，近场热流的调节范围会随着半导体层厚度的增大而减小。四种情况的热流调节比R分别为35.13、65.12、135.00、123.25。
实施例3
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3为单层Si3N4；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si，厚度(t4)为100nm；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si，厚度(t7)为100nm；第二绝缘体8为单层Si3N4；第二金属层9为Al。图4示出了第一绝缘体3的厚度(t3)和第二绝缘体8的厚度(t8)为100nm分别为50nm、100nm、200nm、400nm四种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线(t3＝t8)。电压VC在0-100V范围内调节。可见，近场热流的调节范围会随着绝缘层厚度的增大而增大。四种情况的热流调节比R分别为29.32、65.12、160.80、285.50。
实施例4
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3为单层Si3N4，厚度(t3)为100nm；p型半导体层4为p-Si，厚度(t4)为100nm；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7为n-Si，厚度(t7)为100nm；第二绝缘体8为单层Si3N4，厚度(t8)为100nm；第二金属层9为Al。图5示出了p型半导体层4的掺杂浓度N4和n型半导体层7的掺杂浓度N7分别为为1015cm-3、1016cm-3、1017cm-3、1018cm-3四种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线(N4＝N7)。电压VC在0-100V范围内调节。可见，随着掺杂浓度的增大，近场热流整体变大，当掺杂浓度过大时，调节范围会缩小。四种情况的热流调节比R分别为79.00、65.12、4.23、0.37。
实施例5
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3为单层Si3N4，厚度(t3)为100nm；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si，厚度(t4)为100nm；n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si，厚度(t7)为100nm；第二绝缘体8为单层Si3N4，厚度(t8)为100nm；第二金属层9为Al。图6示出了真空间隙6的厚度d分别为50nm、100nm、200nm、400nm四种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线。电压VC在0-100V范围内调节。可见，近场热流的调节范围随着真空间距6的增大而急剧减小。四种情况的热流调节比R分别为65.12、4.25、1.57、0.50。
实施例6
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3、第二绝缘体8为空，即不设置第一绝缘体3、第二绝缘体8，金属层和半导体层直接接触；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si，厚度(t4)为100nm；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si；第二金属层9为Al。图7示出了p型半导体层4的厚度(t4)和n型半导体层7的厚度(t7)分别为50nm、75nm、100nm、120nm四种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线(t4＝t7)。电压VC在0-100V范围内调节。四种情况的热流调节比R分别为1.08、3.73、8.48、14.04。可见此种结构的热流调节比R小于其他条件相同且第一绝缘体3及第二绝缘体8均为单层Si3N4的情况，但大于第一绝缘体3及第二绝缘体8均为单层SiC的情况。
实施例7
一种近场辐射热流调制器，结构不再重复赘述，其中：第一金属层2为Al；第一绝缘体3为单层Si3N4，厚度(t3)为100nm；p型半导体层4为掺杂浓度N4＝1016cm-3的p-Si，厚度(t4)为100nm；真空间隙6厚度(d)为50nm；n型半导体层7厚度(t7)为100nm；第二绝缘体8为单层Si3N4，厚度(t8)为100nm；第二金属层9为Al。图8示出了n型半导体层7为掺杂浓度N7＝1016cm-3的n-Si或n型半导体层7为ITO两种情况的近场辐射热流随电压VC的变化曲线。电压VC在0-100V范围内调节。两种情况的热流调节比R分别为65.12和138.04，可见采用ITO作n型半导体层7可以获得更好的热流调节效果。
综上所述，本发明提供了一种全新结构的近场辐射热流调制器，由半导体对(即p型半导体层和n型半导体层)与电极对(即第一金属层和第二金属层)在统一施加的电场下实现，可以获得更好的热流调节效果，并且，本发明对结构尺寸没有严苛的要求(如要求半导体厚度达到10nm等，对生产及使用都会造成极大不便)，能够在较宽泛的可选参数范围内获得较好的调节范围，生产难度低、成本低，且易于使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于p-n结的近场辐射热流调制器，其特征在于，包括：依次设置的第一金属层(2)、p型半导体层(4)、n型半导体层(7)和第二金属层(9)；
其中，所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)之间存在微纳米量级的真空间隙(6)，用于实现辐射换热；所述第一金属层(2)连接直流电源的正极，所述第二金属层(9)连接直流电源的负极，构成电极对，用于对所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)施加统一的电场。
2.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：
所述第一金属层(2)与所述p型半导体层(4)之间设有第一绝缘体(3)，所述n型半导体层(7)与所述第二金属层(9)之间设有第二绝缘体(8)。
3.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于，还包括：第一基底(1)和第二基底(10)，分设在所述第一金属层(2)和所述第二金属层(9)的外侧。
4.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于，还包括：间隔物(5)，设置在所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)之间，用于形成真空间隙(6)。
5.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述真空间隙(6)的厚度范围为10～500nm。
6.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述p型半导体层(4)和所述n型半导体层(7)的厚度相等。
7.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述p型半导体层(4)的材质为p-Si，所述n型半导体层(7)的材质为ITO。
8.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述p型半导体层(4)的材质为p-Si，所述n型半导体层(7)的材质为n-Si。
9.根据权利要求2所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述第一绝缘体(3)和所述第二绝缘体(8)的材质为Si3N4。
10.根据权利要求1所述的近场辐射热流调制器，其特征在于：所述第一金属层(2)的横截面积大于所述p型半导体层(4)的横截面积，所述第二金属层(9)的横截面积大于所述n型半导体层(7)的横截面积。
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