嵌入式砷化铟光栅结构实现宽角度强非互易热辐射的创新研究

针对热辐射能量收集中的方向性控制难题，研究人员提出基于嵌入式InAs光栅结构的宽角度非互易热辐射方案。该设计在1 T磁场下实现49°-79°入射角范围内非互易性>0.9，通过导模共振(GMR)和磁光效应打破基尔霍夫定律，且对磁场波动(±10%)和结构偏移(±2 μm)具有强鲁棒性，为太阳能电池、热光伏等能源转换技术提供了新思路。

　　

热辐射作为自然界普遍存在的物理现象，其方向性控制一直是能源利用领域的核心挑战。传统热辐射系统受限于基尔霍夫定律（Kirchhoff's law），吸收率与发射率相互耦合，导致能量收集效率低下。近年来，通过打破时间反演对称性实现非互易热辐射（nonreciprocal thermal radiation）成为研究热点，但现有方案如外尔半金属（WSMs）需低温环境，而常规磁光（MO）材料在红外波段非互易性较弱，且宽角度特性难以兼顾。

为解决这一难题，中国的研究团队在《Optical Materials》发表论文，提出一种基于嵌入式砷化铟（InAs）光栅的创新结构。该设计通过导模共振（Guided Mode Resonance, GMR）与InAs的磁光效应协同作用，在1特斯拉（T）磁场下实现25.82 μm波长处49°-79°宽角度范围内的非互易性>0.9，且对磁场波动和结构偏移表现出显著鲁棒性。理论计算表明，通过增强磁场至3 T可使工作波长缩短至15 μm以下，为太阳能收集和热光伏（thermophotovoltaics）应用提供了新范式。

研究采用有限元法（FEM）模拟光栅结构的吸收/发射光谱，结合Floquet周期性边界条件分析电磁场分布。通过优化SiO₂缓冲层厚度（d₂=1.5 μm）和InAs条带位置（h₃=3.5 μm），实现了宽角度非互易性增强。磁通密度仿真揭示了GMR对能量局域化的关键作用，而参数敏感性分析验证了结构对±10%磁场波动和±2 μm制造误差的耐受性。

结果与讨论

1. 宽角度非互易特性：在θ=65°时，结构吸收率（α）与发射率（ε）差值达0.92，角度带宽扩展至30°（49°-79°），远超传统MO局部共振结构。
2. 物理机制：磁场分布显示InAs条带边缘存在强烈场增强，证实GMR与磁光效应的协同作用是非互易性来源。
3. 鲁棒性验证：磁场强度在0.9-1.1 T范围内非互易谱保持稳定，InAs条带位置偏移±2 μm仅引起<5%性能波动。
4. 波长调控：将磁场增至3 T可使工作波长蓝移至中红外波段，满足不同应用场景需求。

结论与意义
该研究通过嵌入式InAs光栅结构实现了兼具高非互易性（>0.9）和宽角度特性的热辐射控制，其创新性体现在三方面：首先，GMR与磁光效应的耦合作用突破了传统MO材料非互易性弱的限制；其次，30°的角度带宽为目前报道的最佳水平；最后，结构对制造误差的宽容性显著提升了工程可行性。这项工作为定向能量收集、太空热管理等领域提供了新工具，特别是对需要宽角度响应的太阳能聚光系统和热光伏器件具有重要指导价值。研究团队指出，未来可通过优化光栅周期性和引入多层谐振结构进一步拓展工作波段，推动非互易热辐射技术的实际应用。