芯耀
与非AI
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长期以来，材料发射率（Emissivity）被认为主要由材料本身的组成和电子结构决定，是一种较为固定的热学性质。高发射率热辐射器通常依赖于碳纳米管、黑色涂层或金属微纳结构等高吸收材料，而对于金刚石、石英、蓝宝石等透明宽禁带介质而言，由于光吸收能力极弱，实现大范围、精确可调的热辐射控制一直是国际研究中的难点。
近日，浙江大学团队联合西安交通大学团队，提出了一种基于超快激光三维光刻的金刚石微尺度发射率调控方法，在透明金刚石内部构建周期性吸收微腔，实现了三维空间内热辐射性能的按需设计。相关成果以“3D lithography of diamond thermal emitters for microscale emissivity control”为题，发表在《Nature Communications》。
金刚石具有高达约2200 W/(m·K)的热导率、极高的硬度以及覆盖紫外至远红外波段的宽谱透明特性，是新一代热管理、光电子及第四代半导体的重要候选材料。然而，正是由于其极高透明度和极低光吸收能力，传统方法难以赋予其优异的热辐射性能。
论文提出，不再依赖外部涂层或复杂表面结构，而是利用超快激光在金刚石内部直接构建具有吸收能力的周期性微腔（Periodic Absorptive Microcavities，PAMs），实现透明材料内部热发射特性的重构。
研究中，超快激光诱导形成的微腔由非晶金刚石层和大量随机纳米结构共同组成。作者认为，两者共同构成了发射率提升的关键机制：一方面，局部非晶化过程引入大量缺陷态和局域能级，提高材料对光的吸收能力；另一方面，微腔内部丰富的裂纹、空穴及折射率变化可显著增加光在结构内部的传播路径，进一步增强光能耗散。理论模拟和实验测试均表明，该结构在0.25～25 μm超宽波段内可实现约0.97的发射率，接近理想黑体水平。
在此基础上，研究进一步建立了可编程的发射率调控策略。通过调节激光脉冲能量、扫描速度等加工参数，可精确控制微腔的周期、长度及空间分布，从而连续调节局部区域的热辐射能力。实验结果显示，金刚石局部区域的发射率可在约0.05至0.97之间连续变化，实现像素级微尺度热辐射调控，并建立了激光加工参数与发射率之间的对应关系，为三维热功能结构设计提供了基础。
论文还系统验证了该方法的综合性能。由于微腔内部随机纳米结构不会形成明显的相干共振，其热辐射表现具有良好的角度无关性；超快激光加工带来的非线性吸收效应，使调控分辨率达到约5×5 μm；同时，微腔完全埋藏于金刚石内部，在700 ℃空气环境和1000 ℃真空退火条件下仍保持稳定发射率，且几乎不影响金刚石整体导热性能，表现出较快的热响应速度和优异的环境稳定性。
基于这一三维发射率调控平台，研究团队进一步展示了热加密、防伪、多维信息存储以及三维热显示等概念验证应用，实现了透明介质内部热辐射信息的空间编码。作者认为，该工作突破了传统热辐射调控主要依赖二维表面的限制，实现了透明材料内部三维自由空间发射率工程，为热辐射管理、红外器件、芯片集成以及第四代半导体等领域提供了一种新的技术路径，也为金刚石热光子学器件的发展拓展了新的应用空间。
