Advanced Materials:超级普朗克热辐射——在数十纳米间距下将近场热辐射增强的国际最佳水平提升1个数量级

电磁波诱导的集体电子、声子共振现象如表面等离激元、表面声子极化激元在诸多纳米科学领域起到关键作用。表面等离激元和声子极化激元的激发可获得巨大的近场热辐射增强,拓扑激元激发,极化激元的操纵和其他奇异的纳米尺度现象。经典物理学预言,完美的热辐射体工作在普朗克黑体极限。而在过去的十年里,许多近场热辐射的实验已经证明,表面声子极化激元可使得两物体间的热辐射能量在~ 50 nm的间隙距离上,高于黑体极限两个数量级(约100倍)。然而,要将近场热辐射能量进一步增强至三个数量级,需要将两个物体的间距缩小,甚至到20 nm及以下。如何在更大的间距下,突破黑体辐射极限三个或更高的数量级,对微纳光学、微纳尺度传热的理论和实验研究都具有重要的意义。与二氧化硅等极性介质材料相比,石墨烯可以在更宽的红外频率区域激发表面等离激元,为辐射传热提供了良好的途径。

为此,浙大何赛灵教授课题组提出,制备多个石墨烯片层的间隙桥接悬浮晶体将产生高效的等离激元模式,因为其近乎完美的光子隧穿概率能够在大范围的横向波矢空间内激发,这些耦合的表面等离激元为近场热辐射的增强提供了一个高效的途径。然而,制备这种多层悬浮体系具有挑战性。许多支撑层材料,如SiO2或掺杂Si等,由于其较高的折射率和复合结构的光学损耗,将导致这些耦合的表面模式,被限制在较小的横向波矢空间,从而降低近场热辐射的增强效率。针对此,该课题组提出采用石墨烯/SU8相互堆叠的方式,制备石墨烯/SU8五层异质结构(图1(a)),用于近场热辐射的进一步增强。一方面,由于SU8在中远红外的介电函数较接近于空气,可减少其对层间石墨烯等离激元耦合的影响。另一方面,调控石墨烯线性狄拉克带中的费米能级,可调节耦合的等离激元,使其激发在期望的中远红外频率区域内(图1(d)),并提高光子隧穿概率,从而优化和增强近场热辐射。结果表明,在电调控的辅助下,由于石墨烯层间表面等离激元的强耦合作用,两个石墨烯/SU8五层异质结构在~ 55 nm的间隙距离内,能够产生高于黑体辐射极限~1129倍的热辐射能量(图1(e-f)),该测量结果将等同间距下的国际最佳水平提升了约1个数量级。该巨大的热辐射能量,将激励石墨烯基的近场热辐射器件的进一步探索、技术开发、新材料和结构的设计,对芯片冷却、可调控近场热信号处理、近场热光伏系统等具有重要的研究意义。

浙江大学光电学院博士后史可樟、华南师范大学硕士生陈肇扬为论文的共同一作,浙江大学何赛灵教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划(2017YFA0205700、2018YFC1407503)、国家自然科学基金(91833303、11621101、61550110246),浙江省重点研发计划(2021C03178),广东省创新科研团队计划(201001D0104799318),宁波市科技项目(2020Z077、2018B10093)的大力支持。

图1. (a)结构示意图及样品实物图;(b)近场热辐射实验测量装置;(c)-(d)石墨烯费米能级为-0.36 eV和-0.11 eV时对应的光子隧穿概率图;(e)石墨烯/SU8五层异质结构的近场热辐射测量结果;(f)所测的热辐射通量相比于黑体辐射极限的比值;

论文信息:

Optimized colossal near-field thermal radiation enabled by manipulating coupled plasmon polariton geometry

Kezhang Shi, Zhaoyang Chen, Xinan Xu, Julian Evans, Sailing He*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202106097

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106097