石墨烯增强半导体态二氧化钒近场热辐射

本文基于涨落耗散定理和并矢格林函数求解麦克斯韦方程来研究两个半无限大平板的近场热辐射净热流,提出了两个半无限大块状二氧化钒组成的V/V结构、石墨烯覆盖两个半无限大块状二氧化钒组成的GV/GV结构和石墨烯覆盖VO2薄膜组成的GV0/GV0结构,深入研究了这三种结构中二氧化钒与石墨烯间的近场热辐射,并分析了真空间距、二氧化钒薄膜厚度和石墨烯化学势等物理参量变化对近场热辐射的影响.研究表明:三种结构的近场热辐射均随间距增大而减小;在真空间距为10 nm时,由石墨烯覆盖的GV/GV结构的近场辐射热流比无石墨烯覆盖的V/V结构增强35倍,耦合效果最好的是GV0/GV0结构,该结构的近场辐射热流比GV/GV结构增强8.6倍;在GV0/GV0结构中,当二氧化钒薄膜厚度为30 nm时,石墨烯化学势从0.1 eV增加到0.6 eV辐射热流会减小3.3倍.本文系统研究了二氧化钒与石墨烯间相互耦合的近场热辐射,对相关结构的近场热辐射实验和实际应用具有理论指导意义.

近场热辐射的最新研究进展

主要从理论数值模拟和近场辐射实验研究的角度介绍了近几年在近场热辐射传热方面的最新研究成果。理论研究的焦点主要集中在石墨烯复合材料、人工加工或合成超材料等方面的传热研究。实验研究的焦点是实验室基于纳米尺度近场热辐射测量的设备制造与方法创新。目前实验上已经实现了最小距离仅为2 nm的极近场热辐射测量。近场热辐射的进一步研究可为热光伏、辐射制冷以及高效能源收集应用提供理论基础。

基于SiO_(2)、石墨烯和六方氮化硼异质结构的3-物体体系增强近场热辐射

研究了由块状二氧化硅、单层石墨烯和六方氮化硼薄膜堆叠形成的复合异质结构之间的近场热辐射。在两个半无限大平板结构即2-物体体系的基础上,将单层石墨烯和六方氮化硼复合异质结构的调制器置于两个半无限大平板之间构成三平板结构即3-物体体系,比较其与2-物体体系的近场辐射热流。结果表明,在相同体间距下3-物体体系的热流始终大于2-物体体系的热流,当d=10 nm时差距最大,深入探究发现可以通过调节该体系的相邻平板之间的距离、六方氮化硼薄膜的厚度以及石墨烯化学势来实现对其近场热辐射的调控。

石墨烯与hBN周期性堆叠的调制器增强近场热辐射

本文在近场辐射传热装置的发射端与接收端之间引入一种基于石墨烯(Graphene)和六方氮化硼(hexagonal boron nitride,简记为h BN)薄膜交替堆叠的多层结构的调制器,与石墨烯覆盖的单层hBN结构(G-hBN-G)相比可以在不改变发射端和接收端参数的情况下增强近场热辐射,经计算在N(调制器中hBN薄膜层数)=16时近场辐射热流增强了2.4×10^(4)W/m^(2)。石墨烯覆盖的多层hBN结构与G-hBN-G结构的近场辐射热流随着调制器厚度的增加均逐渐减小。本研究的结果有助于控制近场辐射的热传递,理解石墨烯覆盖的多层hBN结构的调制器对3-物体体系近场热辐射的调控特性,为有关热辐射产品的研发和制造提供理论基础。

石墨烯-六方氮化硼异质结构近场热辐射研究

近些年来,人们在发现近场辐射传热不同于传统换热的机制后,进行了大量的理论研究和实验验证.尤其是新型材料如石墨烯以及各种超材料可以由人工制得后,近场热辐射可以得到更多的电磁调控.本文将石墨烯覆盖在半无限大六方氮化硼上,分析了石墨烯等离极化激元与六方氮化硼声子极化激元耦合产生共振的效果对近场热辐射传热的影响,结果表明覆盖石墨烯之后,六方氮化硼之间的近场热辐射有明显增强。

双曲超材料近场热辐射穿透深度研究

双曲超材料对近场辐射换热有新的影响模式,能够影响近场热辐射。本文研究了双曲超材料近场热辐射的穿透深度,考察了双曲超材料填充系数和不同类型双曲模式对穿透深度的影响。研究表明双曲超材料能够获得更大的穿透深度。这将为双曲超材料近场热辐射在热光伏和辐射制冷等领域的广泛应用提供理论基础。

六方氮化硼薄膜对石墨烯-碳化硅结构近场热辐射的增强

六方氮化硼(hBN)具有跟石墨烯类似的层状结构和晶格参数,研究发现hBN薄膜具有良好的热传导、电绝缘、光学和力学等性能。本文从理论上研究了hBN薄膜对石墨烯-碳化硅(G/S)结构的近场热辐射的影响。研究发现在红外频段.hBN薄膜在低频率区和高频率区会增强G/S结构的近场热辐射,经计算在G/S结构中加入厚度为10 nm的hBN薄膜时获得的辐射热流是同物理条件下G/S结构的1.5倍;而在中频率区hBN薄膜的厚度阻碍了石墨烯表面等离激元和碳化硅表面声子极化激元的耦合,使得近场热辐射热流随hBN薄膜厚度增加而逐渐减弱。本研究的结果可为下一步实验与应用中对hBN薄膜厚度的选择提供理论基础。

手性超材料和双曲超材料近场热辐射研究

不同材料间由于共振频率不匹配使得其表面波不能耦合,进而使得近场辐射换热强度较相同材料间有所降低。超材料的发展为近场热辐射的可调控性开辟了新的通道。本文利用涨落耗散定理和并矢格林函数研究了两种不同的电磁超材料间近场辐射特性,通过调节两种材料的强可调控特性来调节近场辐射热流,克服由于共振频率不匹配产生的不同材料间辐射换热降低的问题。

基于复合异质结构的近场热辐射调制器

近场热辐射由于其能打破普朗克黑体辐射实现高效能量传输而得到广泛关注,已有的研究发现近场热辐射严格受限于高温物体和低温物体之间的距离,随着距离的增加热辐射传热效率将显著降低。本文提出一种基于六方氮化硼和石墨烯复合异质结构的近场热辐射调制器,通过将该调制器放置于冷热源之间构成三物体系统可以增强光子隧穿效应从而调控近场热辐射传热量。进一步地,通过改变调制器的位置或结构可以对近场热辐射及相关温度进行主动调控。

基于微型传感器的近场辐射传热实验方法研究

面向二氧化硅(SiO2)材料开展了近场辐射传热实验测量方法研究,其核心工作是近场热辐射传感器设计。首先,基于电磁波理论以两个平行的SiO2平板为对象分析近场热辐射的特性并以此确定近场热辐射传感器的关键参数;其次,根据近场热辐射的作用效果确定实验方案并设计相应的近场热辐射传感器;再次,基于经典传热理论确定实验模型,以及设计传感器的微加工工艺;最后,本实验方法在其他介质的近场辐射传热测量中的应用。

均匀分布纳米粒子系近场辐射热扩散特性

当粒子系中粒子平均间距接近甚至小于热辐射特征波长时,由于倏逝波贡献,其辐射换热热流可远超黑体辐射极限热流。由于存在复杂近场作用,密集粒子系内近场辐射热扩散特性尚不清晰。本文基于涨落电磁理论研究了均匀分布纳米粒子系的近场辐射热扩散特性。研究发现:通过与离散尺度多体辐射换热理论及动理学理论关于金属及电介质粒子链近场辐射换热结果对比,常规热扩散理论可更准确地用于研究粒子系近场辐射热扩散特性,SiC纳米粒子链辐射等效导热系数随温度增大而增大,且温度只影响辐射等效导热系数的大小,而对其光谱峰值频率则无影响。当粒子间距一定时,粒子系辐射等效导热系数随粒子尺寸的增大而增大,更多能量可以在大颗粒构成的粒子链上传递。紧密堆积的粒子系内近场光子隧穿作用较强,其辐射等效导热系数也大于较稀疏粒子系的辐射等效导热系数。

黑磷光栅的光学特性及其近场辐射换热特性

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以超过由黑体辐射定律给出的极限换热量若干个数量级,近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理等前沿领域有重要的应用前景。黑磷是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文首先研究黑磷光栅独特的近场光学特性,然后研究I型和II型黑磷光栅的近场辐射换热特性。研究发现:I型和II型光栅均能支持双曲表面等离激元,但I型光栅的表面等离激元传播强度要弱于II型光栅。将掺杂电子浓度、旋转角以及填充率调节到适当值时可以有效增强近场辐射换热。本研究有助于对黑磷近场辐射换热的调控特性的理解。

石墨间的近场辐射换热强化

作为自然界存在的双曲材料之一,石墨对于实现高效辐射换热具有重要意义.本文研究石墨的光轴取向及厚度对近场辐射换热的影响,并揭示其辐射能量传输机理.当光轴平行于换热方向时,常规的非共振双曲模式对其近场辐射换热具有主要贡献;而光轴垂直于换热方向时,除常规双曲模式以外,双曲型等离子极化激元也可被激发.随着薄膜厚度的减小,非共振双曲模式的贡献减小,但双曲型等离子极化激元可与更高波矢的电磁波耦合,从而导致总的辐射换热通量超过块体石墨.对于块体石墨,当真空间距小于170 nm时,光轴平行于换热方向的结构具有更大的辐射换热通量;而随着石墨厚度减小至数十纳米时,光轴垂直于换热方向的构造可能支持更高效的辐射换热能力.