PRL：極化激元薄膜之間雙納米尺度條件下的近場(chǎng)輻射傳熱

論文信息： L. C. McCormack, L. Tang, and M. Francoeur, “Near-Field Radiative Heat Transfer in the Dual Nanoscale Regime between Polaritonic Membranes,” Phys. Rev. Lett. 136 , 146302 (2026).

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/j7cj-4tl9

研究背景

在經(jīng)典熱輻射理論中，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺度遠(yuǎn)大于熱輻射波長時(shí)，黑體輻射給出了基本極限。但當(dāng)尺度進(jìn)入納米范圍，尤其是在兩個(gè)物體間距小于熱波長時(shí)，近場(chǎng)效應(yīng)會(huì)使熱輻射顯著增強(qiáng)。然而，近年來的實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)亞波長薄膜同時(shí)處于納米尺度時(shí)，熱傳輸行為并不統(tǒng)一，有時(shí)增強(qiáng)，有時(shí)反而減弱。這一現(xiàn)象背后的物理機(jī)制并不清晰，特別是在不同極化子材料之間為何表現(xiàn)出完全不同的趨勢(shì)，成為一個(gè)亟需解釋的問題。

研究內(nèi)容

研究首先建立了一個(gè)典型模型：兩塊尺寸為微米量級(jí)、厚度可調(diào)的極化子薄膜，在約100 nm的真空間隙中相對(duì)放置。通過離散系統(tǒng)格林函數(shù)方法，對(duì)熱輻射過程進(jìn)行嚴(yán)格數(shù)值計(jì)算，從而得到熱導(dǎo)率與膜厚之間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)膜厚從宏觀尺度減小至納米尺度時(shí)，不同材料的熱傳輸行為出現(xiàn)顯著分化，這為后續(xù)物理分析提供了基礎(chǔ)。

圖 1. 在固定真空間隙 d = 100 nm 下，溫度為 T + d T 的熱發(fā)射薄膜與溫度為 T 的冷接收薄膜之間的近場(chǎng)輻射傳熱（NFRHT）。薄膜厚度 t 可變，而寬度 w = 1 μ m 、長度 L = 1 μ m 固定。為提高計(jì)算效率，將薄膜離散為非均勻子體元。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，SiC、SiN和SiO?三種典型極化子材料表現(xiàn)出完全不同的趨勢(shì)：SiC薄膜隨著厚度減小，近場(chǎng)熱傳輸顯著增強(qiáng)，最高可達(dá)到無限平面情形的數(shù)倍；SiN則僅表現(xiàn)出較弱增強(qiáng)；而SiO?卻呈現(xiàn)明顯衰減。這一結(jié)果表明，僅僅依賴“存在表面聲子極化激元”并不足以預(yù)測(cè)熱傳輸行為，系統(tǒng)中還存在更關(guān)鍵的調(diào)控因素。

圖 2.采用 DSGF 方法計(jì)算的 SiC、SiN 和 SiO? 薄膜在真空間隙 d=100?nm下的近場(chǎng)輻射傳熱（NFRHT）。（a）300 K 時(shí)傳熱系數(shù) h NFRHT 隨薄膜厚度的變化關(guān)系，并與相同間隙下兩無限大平面之間的結(jié)果進(jìn)行比較。（ b）300 K 時(shí)熱導(dǎo) G NFRHT 隨薄膜厚度的變化關(guān)系。虛線表示 G NFRHT 隨 t的變化趨勢(shì)。

為解釋上述現(xiàn)象，工作引入了模態(tài)分析方法，指出在有限尺寸薄膜中，除了傳統(tǒng)的表面極化子模式，還會(huì)出現(xiàn)角點(diǎn)（corner）和邊緣（edge）模式。這些模式來源于邊界處電磁場(chǎng)的耦合，并在納米結(jié)構(gòu)中變得尤為重要。它們能夠顯著改變局域態(tài)密度，從而直接影響近場(chǎng)熱輻射的強(qiáng)度與頻譜分布。

圖 3. 通過 COMSOL Multiphysics 計(jì)算得到的單個(gè)無限長度 L薄膜中兩種低頻基模——角模（aa）和邊緣模（sa）——的色散關(guān)系，薄膜厚度 t可變：SiC［（a）和（b）］、SiN［（c）和（d）］以及 SiO?［（e）和（f）］。對(duì)于每種材料，均給出兩類色散圖：一類為角頻率隨波矢 實(shí)部的變化關(guān)系，另一類為ω 隨 kz模值的變化關(guān)系。

最終的物理圖像表明，熱傳輸?shù)脑鰪?qiáng)或抑制取決于材料損耗對(duì)電磁態(tài)密度的影響。對(duì)于低損耗材料，邊緣與角點(diǎn)模式可以有效耦合并提供大量額外通道，從而增強(qiáng)熱傳輸；而對(duì)于高損耗材料，這些模式被強(qiáng)烈阻尼，導(dǎo)致可用電磁態(tài)減少，反而抑制能量交換。因此，材料損耗成為決定雙納米尺度近場(chǎng)輻射行為的核心因素。

圖 4. 在 300 K 下、薄膜厚度分別為 20 nm、40 nm 和 100 nm 時(shí)的譜傳熱系數(shù) 采用 DSGF 方法計(jì)算，并與無限大平面之間的結(jié)果進(jìn)行比較。（a）SiC，（b）SiN，（c）SiO?。 結(jié)論與展望 該工作系統(tǒng)研究了“雙納米尺度”條件下的近場(chǎng)熱輻射問題，即當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸與間隙同時(shí)進(jìn)入亞波長范圍時(shí)的能量傳輸機(jī)制。通過嚴(yán)格的數(shù)值計(jì)算與模態(tài)分析相結(jié)合，揭示了極化子薄膜之間熱傳輸并非單一增強(qiáng)，而是取決于材料特性呈現(xiàn)增強(qiáng)或抑制兩種截然不同的行為。研究表明，有限尺寸結(jié)構(gòu)中普遍存在的角點(diǎn)與邊緣模式在這一過程中起關(guān)鍵作用，它們通過改變電磁態(tài)密度直接調(diào)控近場(chǎng)能量交換。然而，這些模式的貢獻(xiàn)又受到材料損耗的強(qiáng)烈影響：低損耗材料有利于模式耦合與譜展寬，從而增強(qiáng)熱輻射；而高損耗則抑制模式傳播，降低傳輸效率。該結(jié)果突破了傳統(tǒng)基于無限平面模型的理解框架，為納米尺度熱輻射調(diào)控提供了新的物理圖像。對(duì)于未來設(shè)計(jì)高效熱管理器件、近場(chǎng)熱光伏系統(tǒng)以及納米尺度能量轉(zhuǎn)換裝置，該工作具有重要的指導(dǎo)意義。