Small:石墨烯/hBN多层系统间的近场辐射增强

作为传热的三种基本方式之一,热辐射广泛存在于自然界中。而当两物体之间的间隙小于热辐射的特征波长时,以传输波为主导的经典热辐射理论不再适用,并且由于倏逝波的巨大贡献,两个物体之间的辐射换热超过了黑体辐射极限几个数量级。利用这一效应,近场热辐射为热辅助磁记录技术、扫描热显微镜、热光刻、热光伏技术、近场热管理和一些先进的能量转换设备等许多新兴技术提供了理论依据和设计思路。

近年来,基于优异的光学特性、热特性以及可调谐性,以二维材料构成的热辐射系统迅速成为了近场热辐射研究的热点。石墨烯作为典型的代表,可以在红外波段激发表面等离子体激元(SPPs)。将石墨烯覆盖在电介质材料表面有效增强了近场热辐射,并可以利用费米能级高度可调的优势,采用栅极电压对近场热辐射热流进行快速调控。六方氮化硼(hBN)是另一种二维材料,在原子尺度的单元晶胞内支持双曲声子激元HPPs),并且在高k光子介导的准静态库仑相互作用下,可实现纵向和横向声子杂化。另外,由于能够实现高性能的近场光学成像和聚焦,hBN的HPPs在红外纳米光子学领域日益受到关注。

最近,华中科技大学程强教授、罗自学教授课题组与武汉工程大学宋金霖博士合作,制备了石墨烯/hBN异质结构和石墨烯/hBN/石墨烯多层膜系统,并分别测量了异质结系统和多层膜系统中的近场辐射传热。

图1. 近场辐射热流测量的实验装置。整体结构示意图(左)和一个异质结构单元(右)

实验结果表明,当间距为400 nm,hBN厚度为大约52 nm时,石墨烯/hBN异质结构和石墨烯/hBN/石墨烯多层膜系统中的近场热辐射增强分别比黑体极限高3倍和6倍。作者通过机理研究发现这是石墨烯的SPPs和hBN的HPPs耦合的结果,更宽频率区域激发的强耦合极大地增强了近场热辐射。与多层结构不同,单独的hBN薄膜之间和单独的石墨烯之间的近场辐射热流明显降低,这是由于HPPs或SPPs在更窄的频率区域内被激发。此外,当引入较薄的hBN时,由于II型双曲模的消失和极化激元耦合效应的抑制,热辐射减弱。作者表示,多层膜系统可以转移到各种基底上,有利于实现在不同近场辐射传热场景中的应用。本研究促进了近场热辐射器件、新型材料和结构设计的进一步探索和实际应用。

图2. 由石墨烯和hBN(厚≈52 nm)组成的不同结构的辐射热流和穿透系数。

论文信息:

Enhanced Near-Field Radiative Heat Transfer between Graphene/hBN Systems

Lu Lu, Bo Zhang, Han Ou, Bowen Li, Kun Zhou, Jinlin Song*, Zixue Luo*, Qiang Cheng*

Small

DOI: 10.1002/smll.202108032

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202108032