基于二氧化硅辐射制冷材料光谱调控计算

摘要

材料的光谱特性对辐射制冷器件性能至关重要.为从理论上探究通过掺杂调控二氧化硅（SiO₂）光谱特性的机理，降低实验成本并指导新型制冷材料开发，该文以SiO₂为基体，聚焦掺杂过渡金属元素（Cr, Mo, W）的影响，设计并构建了掺杂Cr、Mo、W的SiO₂（X-SiO₂,X=Cr, Mo, W）晶体模型.运用第一性原理计算方法，定性研究掺杂对其电子结构（能带、态密度）和光学性质（复折射率）的影响规律.同时，构建了X-SiO₂颗粒涂层模型，分析其在太阳辐射波段（300～2 500 nm）的反射光谱变化.计算表明，X-SiO₂的价带与导带间产生了显著的杂质能级，该杂质能级导致在紫外-可见光波段出现新的吸收峰.X-SiO₂颗粒涂层在300～1 200 nm波段，平均反射率从未掺杂SiO₂的50.8%分别显著降至21.1%（Cr）、27.8%（Mo）和24.9%（W）.掺杂Cr、Mo、W可有效调控SiO₂的电子结构与光学性质，在紫外-可见光区引入吸收峰，并显著降低其在300～1 200 nm波段的平均反射率.这为调控辐射制冷材料的光谱性能提供了重要途径，对减少实验成本、推动新型高效辐射制冷材料的理性设计与开发具有重要的理论和应用价值.

关键词

光谱调控 / 第一性原理计算 / 过渡金属 / Mie散射 / Monte Carlo模拟