眾所周知，近場(chǎng)輻射換熱(NFRHT)可以超過普朗克黑體極限的幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于瞬變電磁失阻和表面模式的隧穿作用，這已經(jīng)由平行表面和亞波長(zhǎng)尺度薄膜的NFRHT實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，盡管納米結(jié)構(gòu)也可以在其角落和邊緣維持更豐富的局域電磁模式，但這些額外模式對(duì)進(jìn)一步增強(qiáng)NFRHT的貢獻(xiàn)仍未被探索。
02 成果掠影
近日，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Chris Dames和美國(guó)猶他大學(xué)Mathieu Francoeur近期針對(duì)近場(chǎng)輻射換熱(NFRHT)取得最新進(jìn)展。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面論證了邊角模式介導(dǎo)的NFRHT的物理機(jī)制，并表明在“雙納米尺度”下，當(dāng)發(fā)射器和接收器的厚度及其間隙間距遠(yuǎn)小于熱光子波長(zhǎng)時(shí)，它可以主導(dǎo)NFRHT。對(duì)于隔100 nm真空間隙的兩種共面20 nm厚碳化硅膜，室溫下的NFRHT系數(shù)預(yù)測(cè)和測(cè)量結(jié)果均為830 W/m2K，是隔100 nm真空間隙的兩個(gè)無限大的碳化硅表面NFRHT系數(shù)的5.5倍，考慮到共面膜之間的幾何視圖因子，NFRHT系數(shù)是相應(yīng)黑體極限的1400倍。這種增強(qiáng)以電磁角模式和電磁邊模式為主，占碳化硅膜間NFRHT的81%。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)未來NFRHT在熱管理和能量轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用具有重要意義。研究成果以“Corner- and edge-mode enhancement of near-field radiative heat transfer”為題發(fā)表在《Nature》。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1. 雙納米狀態(tài)下NFRHT的原理及測(cè)量裝置。 該文使用由懸浮共面對(duì)組成的三個(gè)主要微加工器件在雙納米尺度下測(cè)量NFRHT厚度分別為20nm、50nm和120nm的SiC膜(圖1b)。采用離散系統(tǒng)格林函數(shù)(DSGF)方法對(duì)NFRHT進(jìn)行初步數(shù)值模擬，指導(dǎo)SiC膜尺寸的選擇。 圖2.測(cè)量和模擬共面SiC膜之間的輻射傳熱系數(shù)。 圖2中SiC NFRHT結(jié)果的一個(gè)顯著特征是，隨著t的減小，hrad強(qiáng)烈增加。為了進(jìn)一步說明，圖2包含了兩種參考條件下的理論結(jié)果。與傳統(tǒng)的單納米尺度的小d和厚膜相比，這5.5倍的增強(qiáng)顯著地證明了在小d和t的雙納米尺度下，額外的物理增強(qiáng)的NFRHT的影響。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在這種雙納米尺度下，SiC NFRHT由倏逝波而不是傳播波主導(dǎo)。因此，圖2中顯示的傳熱增強(qiáng)的物理機(jī)制與文獻(xiàn)39中報(bào)道的完全不同，在文獻(xiàn)39中，亞波長(zhǎng)膜之間的輻射傳熱處于遠(yuǎn)場(chǎng)狀態(tài)，因此僅由傳播波介導(dǎo)。 圖2顯示，在雙納米尺度下，測(cè)量到的SiC膜之間的NFRHT遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這種理想幾何形狀的黑體極限。例如，對(duì)于以d = 100 nm分隔的20 nm厚的膜，在室溫下測(cè)得的輻射強(qiáng)度大約是參考情況2的0.61 W/m2K的1400倍。其他溫度也有類似的大幅度增強(qiáng)。 圖3. 兩共面SiC膜間雙納米狀態(tài)下電磁角模和邊緣模介導(dǎo)的NFRHT增強(qiáng)理論分析。 在雙納米尺度下，NFRHT的大幅增強(qiáng)主要是由于SiC膜之間的倏變電磁角模式和邊緣模式的隧穿，這一機(jī)制在以前的研究中是被對(duì)稱性所禁止的或可以忽略8,9,21。這些模態(tài)是由x-y平面上的電磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的。由于膜長(zhǎng)L遠(yuǎn)大于熱光子波長(zhǎng)(實(shí)際上是L→∞)，因此沿z方向不存在場(chǎng)耦合。因此，角模和邊模的出現(xiàn)可以用二維結(jié)構(gòu)來理解，如圖1a和3所示，與Berini的框架一致。 總之，該文預(yù)測(cè)并測(cè)量了兩個(gè)共面SiC膜在雙納米尺度下的NFRHT，這兩個(gè)共面SiC膜的厚度相當(dāng)于或小于其真空間隙間距約100 nm，溫度范圍為200 K至400 K。測(cè)量結(jié)果與基于DSGF方法和無自由參數(shù)的理論預(yù)測(cè)非常吻合。結(jié)果表明，電磁角和邊緣模式介導(dǎo)的NFRHT增強(qiáng)機(jī)制遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了兩個(gè)無限平行表面之間的機(jī)制。這些觀察到的共振模式可以主導(dǎo)NFRHT，在本研究中，最薄的膜的相對(duì)貢獻(xiàn)超過80%。在300 K時(shí)，20 nm厚SiC膜之間的輻射換熱系數(shù)為830 W/m2K，分別是兩個(gè)無限SiC平面和兩個(gè)共面黑體膜之間輻射換熱系數(shù)的5.5倍和1400倍。亞波長(zhǎng)膜中電磁角共振和邊緣共振模式的出現(xiàn)，為增強(qiáng)和頻譜控制NFRHT開辟了一條途徑。如此高的傳熱能力可以使NFRHT未來在非接觸局部輻射冷卻、熱管理和能量轉(zhuǎn)換裝置中的應(yīng)用成為可能。 Extended Data 圖4.制備用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)SiC膜之間NFRHT的懸浮裝置的主要步驟。 圖5.DSGF計(jì)算了真空間隙d = 100 nm分隔的兩層120nm、50nm和20nm厚SiC膜在300 K時(shí)耗散功率密度的空間分布。 圖6.DSGF使用補(bǔ)充表1中給出的間隙計(jì)算了兩個(gè)SiC膜之間傳播波對(duì)NFRHT的貢獻(xiàn)。 圖7.DSGF計(jì)算了兩層120,50和20nm厚、真空間隙d = 100nm的SiC膜在300 K時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)Grad。
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