[發明專利]一種具有重心支撐結構的光熱換能器

有效

• 申請號: 202210036383.2
• 申請日: 2022-01-11
• 公開（公告）號: CN114383326B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 張金英;李德芳;李卓;王欣;楊蘇輝
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F24S20/00
• 分類號: F24S20/00;F24S70/10;B81B1/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的一種具有重心支撐結構的光熱換能器，屬于光熱轉換和微納加工領域。本發明公開的光熱換能器主要由多個小單元A組成陣列組成，小單元A包括襯底、重心支撐層和光熱轉換層；襯底主要用于承載和增加機械穩定性，重心支撐層主要用于重心支撐及調控散熱速率，光熱轉換層主要起光熱轉換的作用。本發明通過調控重心支撐層的支撐高度、橫截面積，改變光熱換能器的散熱性能和穩態溫度。本發明結構簡單，加工工藝成熟，能夠根據多種調控需求對襯底、支撐層和光熱轉換層的材料和結構進行設計、制作。本發明還公開所述光熱換能器的微納加工方法。本發明通過對重心支撐層和光熱轉換層進行優化，能夠實現超大的陣列規模和較高的光熱轉換性能。

技術領域

本發明涉及一種具有重心支撐結構的光熱換能器，屬于光熱轉換和微納加工領域。

背景技術

光能是自然界中取之不盡的清潔能源，高效利用和開發光能是無數科研工作者的共同心愿。目前常見的光能開發技術有：光電轉換、光熱轉換、光催化等。其中，光熱轉換技術主要通過聚焦系統和集熱系統將光能高效地轉換為熱能，被轉換的熱能可以被直接應用，也可以轉換為輻射能被進一步使用。近年來，輻射能的選擇性吸收和發射在工業、民用、軍事等領域得到了廣泛的關注和應用。因此，對于一些具有調控輻射能需求的領域而言，能夠實現光-熱-輻射轉換的器件十分重要。

目前能夠實現光-熱-輻射轉換、生成可調控輻射場的器件主要有MEMS紅外轉換薄膜、光學下轉換芯片等，這些器件能夠實現的最大像元陣列為2000×2000，最高表面平均溫度不超過550K。對于光-熱-輻射轉換器件而言，在有限的基底上實現更大的像元陣列和更高的表面平均溫度有助于提高器件的集成度和光能的轉換效率。然而對于現有的器件來說，像元陣列和表面平均溫度由于結構設計和材料本身的限制，已經很難實現大的突破。

要解決現有光-熱-輻射轉換器件面臨的瓶頸，必須從器件的結構設計和材料選擇層面做出新的創新和改變。出于上述目的，本發明提出了一種具有重心支撐結構的光熱換能器。與前述的MEMS紅外轉換薄膜相比，本發明提出的光熱換能器采用襯底和支撐結構相結合，可以大幅度提高光熱換能器的機械穩定性。與光學下轉換芯片相比，本發明提出的重心支撐結構改變了傳統的多腿支撐和微腔支撐的模式，將支撐點從邊緣轉移到重心，將支撐模式由多個支撐腿或圍墻式環繞結構變為單個支撐結構，這種支撐結構可以大大減少結構設計的難度以及實際加工的復雜度。傳統的MEMS紅外轉換薄膜和光學下轉換芯片的光熱轉換層為了增加面內熱阻，圖案設計一般為鏤空結構或者長條結構，由于掩膜圖形存在鏤空圖案和長條圖案，所以在實際加工中很難形成重心支撐的單腿結構。并且為了兼具光熱轉換和面內熱調控的功能，這些光熱轉換層的圖案設計和加工一般都較為復雜，因此成品率較低。

發明內容

本發明的目的主要目的是提供一種具有重心支撐結構的光熱換能器及其制備方法，該換能器不僅結構簡單，還能通過調控重心支撐層的支撐高度、橫截面積，改變光熱換能器的散熱性能和穩態溫度，實現超大的陣列規模和較高的光熱轉換性能。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的具有重心支撐結構的光熱換能器，主要由多個小單元A組成陣列，其中小單元A包括襯底、重心支撐層和光熱轉換層。重心支撐層的底部固定在襯底上，光熱轉換層固定在重心支撐層的頂部，固定點位于光熱轉換層重心位置。襯底主要起承載作用和增加機械穩定性的作用，支撐層主要起重心支撐的作用及調控散熱速率的作用；光熱轉換層主要起光熱轉換的作用。

所述重心支撐層：

(1)材料：具有較好的導熱系數(＞20W/(m·K))和機械穩定性，選與襯底材料相同或不同材料均不受限制。若支撐層和襯底為相同材料，支撐層能夠直接在襯底上刻蝕形成。

(2)結構：主要為頂部窄、底部寬的結構，包括圓錐結構、圓臺結構、棱錐結構、凹面結構、球體結構。支撐層的頂部位于光熱轉換層的重心位置，并且支撐寬度不小于10nm。