最近徐亚东教授与苏州城市学院高雷研究员合作，通过精心设计多层结构，实现了两个辐射温度端口对温度的极端不对称响应，开发出一种多物理机制耦合的高效鲁棒的热整流方案。该工作为设计高效热二极管提供了新的思路，并可应用于先进的热管理和能量转换系统。相关成果以“Ultrahigh-Efficiency Thermal Rectification via Topological Transition of Photonic Density of States and Near-Field Radiation Gap Variations”为题，发表于《ACS Photonics》。
热整流器这一单向导热器件对于热管理热逻辑运算十分重要，其性能可用热整流系数（TRF）来表征， ，其中和分别为正向偏置和反向偏置时的热流。传统的热整流器依赖于热传导和热对流，其性能受到Kapitza阻力、声子声速以及非线性声子过程之间相互作用的限制，这导致其热整流系数十分有限。不同的是，由于非接触辐射热传递可以克服上述限制，近场辐射热整流器（Near-field radiative thermal rectifier，NFRTR）在热整流领域表现出非凡的优势。然而，目前的近场辐射热整流器设计主要依赖于材料对不同温度的响应特性，这影响了光谱匹配，使得热流减小，限制了其整流效果。如何对整流器进行光谱匹配，使其在各种温差下都能实现高热整流系数，是当前热整流器应用面对的重大挑战。
该工作提出了一种新的近场热整流方案，图1展示了两种热整流器的示意图及其工作原理。热整流器的一端由热膨胀材料PDMS和SiC交替堆叠组成，两种材料的厚度均为深亚波长级别的10 nm，这一端口称为TEM端。由于TEM端由大量的周期层交叠而成，这种构型的热整流器为多层型热整流器（Type-I NFRTR），利用相同的原理，该工作还提出了衬底型热整流器（Type-II NFRTR）。热整流器的另一端由金属绝缘体相变材料VO2和碳化硅组成，这一端口下文称为MIT端。两个端口分别处于高温400K与低温300K，这样的温度设置支持了VO2在温度反转前后发生相变。
图1. 模型和设计。(a) 所提出的两种NFRTR装置的示意图及(b,c) 工作原理。
研究发现：当TEM端处于高温状态时，热整流器处于正向偏置状态。PDMS在高温下膨胀，厚度变大，近场辐射真空间隙被压缩变小。此时，热整流器的两端均构成双曲超构材料，且具有重叠的双曲频带，因此显著提高了正向偏置时热整流器的辐射热通量。
而当温度偏置反转时，由于相变为金属相，此时MIT终端不再构成双曲超构材料，不再支持双曲声子极化。此外，TEM端材料因温度降低而收缩，导致辐射真空间隙增大，阻止了大部分能量模式的耦合, 严重限制了反向偏置时的辐射热通量，进而实现了极高的热整流，在20微米厚的热膨胀材料设计下得到了约28000的热整流系数。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、苏州市基础研究项目的支持。
