一种具有结构色的辐射制冷多层膜结构

技术领域

本发明涉及光谱选择性的微纳米结构领域，具体地，涉及一种具有结构色的辐射制冷多层膜结构。

背景技术

随着现代社会的发展，人类对能源的消耗量与需求量与日俱增。目前能源问题已演变为全球性问题。同时，由于全球变暖，温室效应等气候问题的日益加剧，全球对制冷的需求又在不断上升。主动式制冷设备，如空调、风扇等的制冷过程不可避免地存在需要消耗大量能源的问题。选择性辐射制冷是一种通过在物体上覆盖在大气窗口(8～13μm)具有选择性高发射率的结构，实现物体与低温外层空间辐射换热，从而对物体进行冷却的被动式制冷技术。该技术作为一种不需要消耗任何能源的自发式制冷技术具有广阔的发展和应用前景。可应用于建筑物节能、电子器件散热、室外物体表面热管理、光伏电池冷却等领域。目前，辐射制冷分为昼间辐射制冷和夜间辐射制冷，与夜间辐射制冷相比，昼间辐射制冷还需要考虑太阳辐射能的吸收问题，因此也更加难以实现。昼间辐射制冷技术不仅要求物体在8～13μm的大气窗口波段具有高发射特性，还需要其在0.3～4μm的太阳光波段具有高反射特性以减少太阳辐射能的吸收，保证制冷效果。然而由于太阳光波段高反射率的性能要求，目前几乎所有的昼间辐射制冷结构的颜色都为白色或银色，颜色的单调性极大程度上限制了其应用空间。在微纳米光子器件领域，一些学者采用金属-电介质-金属(MIM)结构和一维辐射制冷器结合的多层膜结构同时实现了辐射制冷和结构色呈现，但由于MIM结构的单吸收峰特性的限制，目前能够呈现出的颜色仍十分有限，且无法呈现红-绿-蓝(RGB)的加法三原色结构色。还有学者采用超表面辐射制冷光子器件同时实现了辐射制冷和呈现结构色，然而这种结构存在加工难度大的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有结构色的辐射制冷多层膜结构。

根据本发明提供的一种具有结构色的辐射制冷多层膜结构，包括一维多层膜结构，所述一维多层膜结构包括顶部辐射制冷器结构和底部成色器结构，成色器结构包括自下而上堆叠形成的MIM结构和二周期一维准光子晶体结构。

优选地，所述一维多层膜结构的总厚度为1.657μm～1.87μm。

优选地，MIM结构的金属层材料为Ag、Au或Al中的一种，电介质层材料为SiO

优选地，二周期一维准光子晶体结构由折射率不同的两种电介质薄膜交替堆叠构成，其中低折射率材料为SiO

优选地，二周期一维准光子晶体结构与MIM结构的顶层金属层协同。

优选地，辐射制冷器结构由SiO

优选地，采用Ag作为MIM结构的金属层材料，SiO

底部Ag层的厚度范围在40～100nm，顶部Ag层的厚度范围在10～80nm，SiO

采用SiO

采用SiO

优选地，所述一维多层膜结构呈现减法三原色和加法三原色的结构色，分别为淡紫红色、淡青色以及淡黄色；淡红色、淡绿色以及淡蓝色；

一维多层膜结构的颜色在CIE 1931色度图中的色坐标(x，y，Y)分别为淡紫红色(0.31，0.30，85.30)、淡青色(0.30，0.33，95.93)及淡黄色(0.33，0.36，97.15)；淡红色(0.35，0.35，84.24)、淡绿色(0.33，0.37，94.12)及淡蓝色(0.29，0.32，84.02)。

优选地，呈现减法三原色结构色的辐射制冷多层膜的理论净辐射制冷功率为75.46W/m

呈现加法三原色结构色的辐射制冷复合涂层的理论净辐射制冷功率为19.39W/m

优选地，一维多层膜结构以石英玻璃或硅作为基底材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所述的具有结构色的辐射制冷多层膜结构通过成色器结构在可见光特定波段呈现的窄带反射谷和在太阳光其它波段的宽带高反射特性以及辐射制冷器在大气窗口波段的高发射特性实现了在保证辐射制冷效果的基础上使结构通过光谱吸收峰呈现结构色。

2、与目前常规的辐射制冷结构相比，本发明所述的辐射制冷多层膜可呈现多种颜色，解决了现有的常规辐射制冷结构由于颜色单一导致的应用空间受限问题，同时解决现有的结构色辐射制冷微纳米光子器件呈现颜色受限或加工难度较大的问题。

3、与颜料成色辐射制冷结构相比，所述的辐射制冷多层膜通过结构色成色，具有在各种环境下成色稳定性高，耐蚀性强，永不褪色的巨大优势。

4、与现有的结构色辐射制冷光子器件相比，所述的辐射制冷多层膜具有呈现颜色广泛，加工简单、成本低廉的巨大优势。

5、本发明相比于现有的可呈现结构色的一维辐射制冷多层膜结构具有能够呈现RGB加法三原色结构色的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明所述具有结构色的辐射制冷多层膜的结构示意图。

图2是所述的优选的呈现减法三原色的辐射制冷多层膜结构全波段(0.3～24μm)的发射率曲线图。

图3是所述的优选的呈现加法三原色的辐射制冷多层膜结构全波段(0.3～24μm)的发射率曲线图。

图4是所述的优选的辐射制冷多层膜呈现的减法三原色结构色及相应结构色在CIE 1931色度空间中的色坐标图。

图5是所述的优选的辐射制冷多层膜呈现的加法三原色结构色及相应结构色在CIE 1931色度空间中的色坐标图。

图6是所述的优选的呈现减法三原色的辐射制冷多层膜的理论昼间辐射制冷功率曲线图。

图7是所述的优选的呈现加法三原色的辐射制冷多层膜的理论昼间辐射制冷功率曲线图。

图8是所述的辐射制冷多层膜可呈现的多种颜色及对应的净辐射制冷功率图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图8所示，根据本发明提供的一种具有结构色的辐射制冷多层膜结构，由总厚度为1.657μm～1.87μm的成色器和辐射制冷器结构共同构成。所述的底部成色器由MIM结构和二周期一维准光子晶体结构共同堆叠构成，二周期一维准光子晶体结构在上，MIM结构在下。

所述的MIM结构的金属层材料为Ag、Au或Al中的一种，电介质层材料为SiO

二周期一维准光子晶体结构由折射率高低相间的两种电介质材料构成，其中低折射率材料为SiO

底部成色器能够在可见光波段内分别在中间金属层两侧的电介质材料中激发共振模式，从而形成反射谷以呈现结构色。进一步的，可通过改变MIM结构中电介质层的厚度、二周期一维准光子晶体各层厚度或中间金属层的厚度调控反射谷出现的波段，峰值大小及峰值数量，从而呈现多种结构色。

进一步的，选用对太阳光(0.3～4μm)具有良好反射能力的金属材料Ag作为MIM结构的金属层材料，选用在大气窗口具有高发射特性的SiO

选用Ag、SiO

可呈现减法三原色结构色的辐射制冷多层膜结构的理论净辐射制冷功率为75.46W/m

在优选的可呈现减法三原色的多层膜结构中：以石英玻璃(SiO

在优选的可呈现加法三原色的多层膜结构中：以石英玻璃(SiO

本发明所述的优选的具有结构色的辐射制冷多层膜在太阳光波段(0.3～4μm)的反射能力达到89.38％～95.46％，在大部分太阳光波段的反射能力高达90％。在大气窗口波段(8～13μm)的平均发射率可达0.82～0.84，在大气窗口内的大部分波段的发射率达到0.9以上。同时，所述的优选的辐射制冷多层膜可通过改变结构尺寸调控可见光波段的共振模式位置，从而控制反射谷的位置、数量及大小以呈现减法/加法三原色结构色：分别为淡紫红色(0.31，0.30，85.30)、淡青色(0.30，0.33，95.93)及淡黄色(0.33，0.36，97.15)；淡红色(0.35，0.35，84.24)、淡绿色(0.33，0.37，94.12)及淡蓝色(0.29，0.32，84.02)。在呈现上述结构色的基础上，所述的多层膜结构还能保持良好的辐射制冷性能，在结构与30℃的环境温度相同时，所述的优选的辐射制冷多层膜的净辐射制冷功率为19.39W/m

图1是本发明所述的具有结构色的辐射制多层膜的结构示意图。

图2是所述的优选的呈现减法三原色的辐射制冷多层膜的全波段(0.3～24μm)发射率曲线。其中0.3～24μm的吸收率A采用传输矩阵法(TMM)计算，得到多层膜结构的反射率R及透射率T，根据能量守恒可的结构的吸收率：A＝1-T-R。最后根据基尔霍夫定律有吸收率等于发射比ε＝A，即可获得所述的辐射制冷多层膜在0.3～24μm波段的发射率曲线。

其中，计算结果表明，本发明的三种优选的减法三原色辐射制冷多层膜在大气窗口波段具有较高的发射率，大部分波段可保持在0.9以上。而在0.3～2.5μm的太阳光波段，三种优选的辐射制冷多层膜除了在共振模式产生的波段外，其余波段的发射率均在0.1以下。且共振模式产生的吸收峰极窄，这种窄带吸收特性极大地减小了结构成色对太阳光反射能力的削弱效果。

其中，对太阳光波段的整体反射能力

计算获得，其中I

图3是所述的优选的呈现加法三原色的辐射制冷多层膜的全波段(0.3～24μm)发射率曲线。发射率曲线同样通过传输矩阵法(TMM)获得。

其中，计算结果表明，本发明的三种优选的加法三原色辐射制冷多层膜在大气窗口波段同样具有较高的发射率，大部分波段可保持在0.9以上。而在0.3～2.5μm的太阳光波段，三种优选的辐射制冷多层膜除了在共振模式产生的两个波段外，其余波段的发射率均在0.1以下。在太阳光波段的整体反射能力

图4是所述的优选的辐射制冷多层膜呈现的减法三原色结构色及相应结构色在CIE 1931色度空间中的色坐标。其中，CIE 1931色度空间中的色坐标(x，y)及颜色亮度Y可根据公式：

Y＝Y

计算获得，其中R(λ)为所述辐射制冷多层膜在0.36～0.83μm波段的反射率，D65(λ)为D65人工日光源的光谱能量分布，

其中，计算结果表明，所述多层膜可呈现淡紫红色(Magenta)、淡青色(Cyan)以及淡黄色(Yellow)，即减法三原色结构色，在CIE 1931色度图中的色坐标(x，y，Y)分别为Magenta(0.31，0.30，85.30)、Cyan(0.30，0.33，95.93)及Yellow(0.33，0.36，97.15)。

图5是所述的优选的辐射制冷多层膜呈现的加法三原色结构色及相应结构色在CIE 1931色度空间中的色坐标。

其中，计算结果表明，所述多层膜可呈现淡红色(Red)、淡绿色(Green)以及淡蓝色(Blue)，即减法三原色结构色，在CIE 1931色度图中的色坐标(x，y，Y)分别为Red(0.35，0.35，84.24)、Green(0.33，0.37，94.12)及Blue(0.29，0.32，84.02)。

图6是所述的优选的呈现减法三原色的辐射制冷多层膜的理论昼间辐射制冷功率曲线。辐射制冷多层膜的净辐射制冷功率P

P

P

计算获得，其中P

其中，计算结果表明，所述的具有结构色的辐射制冷多层膜的理论净辐射制冷功率分别为77.91W/m

图7是所述的优选的呈现加法三原色的辐射制冷多层膜的理论昼间辐射制冷功率曲线。

其中，计算结果表明，所述的具有结构色的辐射制冷多层膜的理论净辐射制冷功率分别为19.39W/m

图8是所述的辐射制冷多层膜可呈现的多种颜色及对应的净辐射制冷功率。通过改变MIM结构中电介质层的厚度、二周期一维准光子晶体各层厚度或中间金属层的厚度可调控反射谷出现的波段，峰值大小及峰值数量，从而呈现多种结构色。

本发明所述的具有结构色的辐射制冷多层膜结构通过成色器结构在可见光特定波段呈现的窄带反射谷和在太阳光其它波段的宽带高反射特性以及辐射制冷器在大气窗口波段的高发射特性实现了在保证辐射制冷效果的基础上使结构通过光谱吸收峰呈现结构色。与目前常规的辐射制冷结构相比，本发明所述的辐射制冷多层膜可呈现多种颜色，解决了现有的常规辐射制冷结构由于颜色单一导致的应用空间受限问题，同时解决现有的结构色辐射制冷微纳米光子器件呈现颜色受限或加工难度较大的问题。与颜料成色辐射制冷结构相比，所述的辐射制冷多层膜通过结构色成色，具有在各种环境下成色稳定性高，耐蚀性强，永不褪色的巨大优势。与现有的结构色辐射制冷光子器件相比，所述的辐射制冷多层膜具有呈现颜色广泛，加工简单、成本低廉的巨大优势。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。