在自然界中，温度高于绝对零度的任何物体，都会不断地向四周辐射红外谱线。而红外线是一种人眼不可见的光波，利用红外探测器可以测量目标与背景之间的红外辐射差从而获取目标信息。基于二氧化钒（VO2）测辐射热计的非制冷红外探测技术常应用于军事国防和高端控制领域，但由于其成本高，在民用领域受到了严重制约。薄膜自卷曲是一种与现有芯片制造方法兼容的技术，可以将二维纳米薄膜组装为具有三维几何形状的微/纳管状器件。卷曲技术已成功应用于各种功能材料，并可以调整半导体材料能带结构，增强光与物质相互作用，在纳米膜和基板之间提供热绝缘。
       近日，复旦大学材料科学系梅永丰教授课题组在《科学进展》（Science Advances）上发表题为《一步卷曲制造偏振敏感、全向检测的VO2管状测辐射热计》（“One-step rolling fabrication of VO2 tubular bolometers with polarization-sensitive and omnidirectional detection”）的研究工作。博士研究生吴斌民为第一作者，梅永丰教授为通讯作者，该工作得到了合作者复旦大学物理系安正华教授在器件性能表征和数据分析方面的大力支持。
研究团队探索发现片上管状纳米薄膜具有优异的热绝缘和陷光效应。基于此，研究团队原创性地提出了一种通过自卷曲技术制备的管状测辐射热计，如图1A所示。利用自卷曲技术将二氧化硅上的应变VO2薄膜卷起为管状结构（图1B），其中设计的叉指电极可以提供均匀的应力以支撑卷起的VO2薄膜微管。卷起的VO2薄膜因具有良好的热绝缘，因此可在偏置电压的驱动下产生金属绝缘相变。如图1C所示，在低电压下，为单斜相的半导体态，而在高压下转变为金红石结构的金属态。该器件长波红外波段展示了~2×108 cm Hz0.5 W-1的探测率（图1D），低至2 ms的响应时间和64.6 mK的噪声等效温差。此外，该器件还展示出新 颖的偏振敏感探测（图1E）和广角耦合探测（图1F）。研究团队提出的管状测辐射热计是一种开创性的集成传感设备，提供了探索和设计管状结构器件在红外探测领域应用的新路径。

图1：（A）管状测辐射热计结构和工作原理示意图。（B）基于自卷曲VO2薄膜制备的测辐射热计。（C）自卷曲VO2薄膜的电学特性。（D）自卷曲VO2测辐射热计在红外波段的探测率。管状测辐射热计的偏振敏感探测（E）和全角耦合探测（F）

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持。
       文章信息：Binmin Wu, Ziyu Zhang, Bingxin Chen, Zhi Zheng, Chunyu You, Chang Liu, Xing Li, Jinlong Wang, Yunqi Wang, Enming Song, Jizhai Cui, Zhenghua An, Gaoshan Huang, and Yongfeng Mei*. One-step rolling fabrication of VO2 tubular bolometers with polarization-sensitive and omnidirectional detection. Science Advances 9 (42), eadi7805.
       文章连接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi7805

建筑物能源利用效率的优化在很大程度上主导了现代城市可持续发展的进程，其中建筑物的照明、供暖和空调等能源系统占据了全球能源消耗的约40%，很多建筑物的能量会因为建筑窗户与外界热交换而大量浪费掉。因此，如何通过窗户的智能化实现太阳光的调制是建筑物热能高效利用的一项挑战。由环境温度变化引起自身物理性质变化的二氧化钒材料（VO2）成为实现窗户智能化的重要手段之一。作为无需人工干预的自响应智能窗，它可以保持可见光不变，仅仅随温度变化调节近红外区域太阳光透射，实现低温多透光，高温少透光。但是，二氧化钒材料的可见光透过率较低，红外热能的调控也同步减弱，能源管理效率的进一步提高受到材料物理特性的制约。
      12月19日，复旦大学材料科学系梅永丰课题组在《自然通讯》（Nature Communications）上发表题为《自卷曲二氧化钒纳米薄膜增强太阳光多级调制》（“Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation”）的文章，复旦大学博士研究生李星和中国科学院上海硅酸盐研究所博士研究生曹翠翠为共同第一作者，复旦大学梅永丰教授和中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员为共同通讯作者，该工作得到合作者复旦大学物理系郑长林教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员在实验设计、材料表征和数据分析方面的大力支持。
      研究团队受到百叶窗的启发，利用自卷曲技术将玻璃上的应变二氧化钒薄膜脱附并卷曲成 “叶片”阵列智能窗，通过环境温度的变化调制智能窗为完全卷曲(“开”)，半卷曲(“半开”)和平面(“关闭”)状态，并实现自响应智能切换，从而在全开状态大幅提升透光率的同时，以不同的开度实现多程度光透过调制。智能窗工作方式如图1所示，室温下（a和b），玻璃表面的二氧化钒薄膜保持卷曲状态，太阳光中的可见光和近红外光都能几乎完全不受阻拦地入射到室内，提高室内温度和采光度。高温下（c和d），卷曲二氧化钒薄膜因为相变导致的应变变化而自动展开，铺平衬底遮挡太阳光中近红外光的透过，降低室内光热辐射。这样的结构设计和工作方式使低温环境下可以通过更多的透过太阳光辐射来进一步节约室内供暖和采光所需能量，而高温下又能自发恢复热辐射阻挡效果来减少室内制冷的消耗。

图1：低温下窗的宏观示意图(a)和微观示意图及相应的SEM图像(b)，高温下卷曲智能窗的宏观示意图(c)和微观示意图及相应的SEM图像(d)，比例尺：100μm；卷曲智能窗高低温下的光学照片(e)及其可见光和近红外光透光率变化(f)；卷曲智能窗和平面薄膜智能窗在不同城市中的年平均节能量模拟对比图(g)。

      研究团队发展的卷曲智能窗在可见到近红外波段实现了随温度改变的多级太阳光透过率调制(e和f)，并得到极高的太阳光调制率（42.14%）和可见光透过率（61.01%），这使得该智能窗具备了在不同温度，不同气候，不同时段高效自适应调节室内温度的能力。研究团队利用全球气候数据库与模拟软件，对不同气候类型的典型城市中装配卷曲智能窗、平面薄膜智能窗与普通玻璃的房屋进行了全年能耗(包括照明、供暖和制冷)的模拟(g)，由于卷曲智能窗具有比较高的太阳光调制率以及低温下良好的太阳光透过率，无论在常年炎热的环境还是四季严寒的环境，都具有比较优异的节能效果。该工作将智能二氧化钒薄膜材料的热致形变能力与热致色变能力创造性地结合在一起，突破了传统平面薄膜难以兼顾透光率、节能效率和多环境适应性的难点，为新一代的高效智能窗提供了一种新的可行性思路。
      该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中科院青年创新促进会等项目的资助和支持。
      文章信息：Xing Li#, Cuicui Cao#, Chang Liu, Wenhao He, Kaibo Wu, Yang Wang, Borui Xu, Ziao Tian, Enming Song, Jizhai Cui, Gaoshan Huang, Changlin Zheng, Zengfeng Di, Xun Cao*, Yongfeng Mei*. Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation. Nature Communications, 2022, 13, 7819.
       文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35513-w