1989年出生的李煒，現任長春光機所微納光子學與材料國際實驗室(吉林省國際科技合作重點實驗室)主任，發光學及應用國家重點實驗室學術帶頭人，研究員、博士生導師。2011年赴美留學，2020年底回國入職長春光機所，致力于光子學前沿研究并推進其在輻射熱控和多維光信息感知方面的應用。李煒研究員入選2023年度全球“高被引科學家”名單和2023年“全球前2%頂尖科學家”榜單。今年5月15日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所李煒研究員團隊與新加坡國立大學仇成偉教授團隊合作，在國際上首次利用單個器件通過單次測量，對寬帶光譜范圍內具有任意變化的偏振和強度的高維光場進行了全面表征，實現高維度光場信息探測。該成果以“Dispersion-assisted High-dimensional Photodetector”為題發表在Nature。低于環境溫度的日間輻射冷卻（Subambient daytime radiative cooling）能夠在低于環境溫度下，對外層空間釋放熱輻射。這種技術使得能夠在處于陽光直射狀態下仍然達到低于環境溫度的冷卻效果。因此，這項技術具有許多應用前景。但是以往報道的低于環境溫度的日間輻射冷卻技術通常只能用于直接面對天空的表面，無法應用于建筑、車輛等場景內的垂直于天空的表面。有鑒于此，中國科學院長春光機所李煒研究員、斯坦福大學范汕洄教授（美國國家工程院院士）、紐約城市大學Andrea Alù教授（美國發明院院士）等報道使用多層設計、角度不對稱、光譜熱發射器技術，對垂直于天空的表面實現了低于環境溫度的日間輻射冷卻。相關成果以“Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces”為題發表在《Science》上。在演示實驗中，在920W m2的峰值陽光下，器件的溫度比環境溫度低~2.5℃，比SiO2-聚合物混合型輻射冷卻器相比溫度降低4.3℃，比商用白色涂料的溫度降低8.9℃。
設計光譜選擇性熱輻射器
熱輻射器的設計。設計的熱輻射器由覆蓋有納米聚乙烯薄膜的鋸齒型光柵組成，鋸齒光柵含有水平表面和傾斜表面，傾斜表面為中間氮化硅（SiN）夾層的兩層銀（Ag）。水平表面覆蓋一層Ag，外層覆蓋一層SiN。這種設計使得銀層能夠在可見光和近紅外范圍內產生強反射。由于Ag層具有吸收紫外區間光的特點，因此為了反射紫外光，使用了聚乙烯納米薄膜，薄膜含有尺寸為0.3~1μm的孔，能夠產生Mie共振，對紫外光和可見光具有強烈的反射。光譜選擇性熱發射層的設計。通過SiN層設計光譜選擇性熱發射，SiN在整個太陽波長范圍內具有非常低的損耗，而且在11μm附近具有聲子極化子共振。在水平和傾斜表面上，SiN層通過Ag層與鋸齒光柵分隔，因此能夠保證熱發射只來自SiN，而不是來自光柵基板。通過鋸齒形光柵實現破壞對稱性，因此實現角度不對稱的熱發射。其中，在傾斜表面上的最外層Ag層能夠保證阻礙熱量向下發射到地面，水平表面上的SiN層能夠將熱量向上發射到天空。通過改變鋸齒光柵的比例h/w（或等效的傾斜角度β），能夠方便的調整熱發射的角度覆蓋范圍。 通過這些設計，鋸齒光柵實現了光譜選擇性和角度不對稱的發射率。設計孔徑的納米聚乙烯薄膜能夠保證中紅外區間內實現接近忽略的散射效率，從而實現較高的中紅外透射以及光譜選擇性。由于能夠同時實現角度選擇性和光譜選擇性，對于垂直表面白天輻射冷卻并達到低于環境溫度至關重要。使用模板成型技術進行可規模化的制造工藝，采用標準化的薄膜涂層工藝，在實驗中得到優化的鋸齒光柵。通過覆蓋聚乙烯薄膜改善太陽光的反射，鋸齒光柵和納米聚乙烯薄膜形成的復合結構的太陽光譜區間內平均反射率達到0.978。在中紅外波長區間內，含有孔隙的納米聚乙烯薄膜不僅能夠提高透射率（Ttotal），而且能夠形成非常高的直接透射率（Tdirect）。通過角度分辨熱發射光譜測量（ATESM，angle-resolved thermal emission spectrum measurement）系統表征鋸齒光柵的紅外反射光譜，發現明顯的角度不對稱光譜發射率，說明角度不對稱的特點，這與理論預測的結果相符合。通過鋸齒光柵和具有較高紅外透射的納米聚乙烯薄膜的復合材料，構筑了熱輻射器。通過熱輻射相機拍照，進一步說明熱輻射器背面產生明顯的溫度差。分別在真空條件和真實條件的兩種情況測試輻射冷卻效果。 首先測試了熱輻射冷卻器件在真空下的性能，通過在真空測試，盡量減少熱對流和傳導，突出定向輻射冷卻的效果。設計制作了真空室輻射冷卻裝置，通過反饋控制方法將內表面的溫度控制-13℃。將10cm×10cm的熱輻射冷卻器件和對照組的無方向的熱輻射冷卻器件放置在加熱器垂直方向40cm處。當加熱器和熱輻射冷卻器之間的角度分別變為48.9°、73.3°、96.9°，對照組的無方向熱輻射冷卻器發生加熱，相比的這項研究設計的熱輻射冷卻器件有更好的冷卻效果，在上述角度，溫度分別降低14.1℃、19.8℃、25.6℃，驗證了非常有效的定向輻射冷卻效果。測試室外真實環境中的熱輻射冷卻效果。在北京晴朗的夏季測試室外熱輻射冷卻效果，并且使用SiO2-聚合物熱輻射冷卻器、商用白色涂料的效果進行對比。在陽光強度的峰值時間（上午11:30至下午12:30），這項研究設計的熱輻射冷卻器能夠實現環境輻射冷卻，與SiO2-聚合物復合的輻射冷卻器或者商用白色涂料相比，設計器件的溫度分別低4.3±0.2℃和8.9±0.2℃，對比的兩種輻射冷卻器件溫度都高于環境溫度，但是這項研究設計的輻射冷卻器實現了低于環境溫度的效果。為了進一步研究熱輻射冷卻器件在實際場景的冷卻性能，進行嚴格的室外實驗，將熱輻射冷卻器朝著中午最熱的墻壁。為了避免地面和墻壁輻射的影響，設計制造了傾斜角度β為11°的熱輻射冷卻器。在上午11:00至下午1:00期間，能夠保持低于環境溫度。對比的SiO2-聚合物或者白色涂料無法實現冷卻。設計的熱輻射冷卻器比以上兩個對比樣品的溫度分別低3.5℃和4.6℃。Fei Xie et al. , Subambient daytime radiative cooling of vertical surfaces. Science 2024, 386, 788-794DOI: 10.1126/science.adn2524https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn2524Fan, Y., Huang, W., Zhu, F. et al. Dispersion-assisted high-dimensional photodetector. Nature 630, 77–83 (2024).DOI: 10.1038/s41586-024-07398-whttps://www.nature.com/articles/s41586-024-07398-w
