PRB：從遠(yuǎn)場(chǎng)到近場(chǎng)躍遷的亞波長(zhǎng)膜之間的熱輻射增強(qiáng)

論文信息： Jose Ordonez-Miranda, Maelie Coral, Roman Anufriev,Masahiro Nomura, Sebastian Volz. Thermal radiation enhancement valley between subwavelength polar membranes across the far-to-near field transition.Physical Review B, 2025, 112 (23), pp.235420. ?10.1103/tf4w-sdxc?. ?hal-05424386?

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/tf4w-sdxc

研究背景

當(dāng)物體間距縮小至微米乃至納米尺度，熱輻射行為將突破普朗克黑體輻射極限，呈現(xiàn)出豐富的物理圖景。在這一領(lǐng)域，表面電磁極化激元（Surface Electromagnetic Polaritons）——特別是極性介質(zhì)中的表面聲子極化激元（SPhPs）——扮演著核心角色。這些準(zhǔn)粒子能夠繞過光學(xué)衍射極限，在亞波長(zhǎng)尺度上實(shí)現(xiàn)能量的高度局域與定向輸運(yùn)。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)熱輻射的認(rèn)知主要集中在兩個(gè)極端區(qū)間：近場(chǎng)極限（Near-field limit）： 間距極小（d ? λ），倏逝波主導(dǎo)，熱流呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)極限（Far-field limit）： 間距極大（d ? λ），傳播波主導(dǎo)，熱流回歸黑體極限。

然而，介于兩者之間的過渡區(qū)（通常為幾百納米至幾微米），長(zhǎng)期以來缺乏系統(tǒng)的理論梳理。盡管已有實(shí)驗(yàn)暗示該區(qū)域可能存在熱流極小值（抑制效應(yīng)），但由于缺乏高精度的數(shù)值模擬與物理解釋，這一“過渡區(qū)之謎”一直未能被揭開。理解這一區(qū)域的物理規(guī)律，對(duì)于構(gòu)建完整的納米尺度熱輸運(yùn)圖譜至關(guān)重要。

研究?jī)?nèi)容

為了解開過渡區(qū)的物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用漲落電動(dòng)力學(xué)（Fluctuational Electrodynamics）結(jié)合邊界元法（BEM），利用開源求解器 Scuff-EM，對(duì)兩個(gè)相同氮化硅（SiN）薄膜間的熱傳導(dǎo)進(jìn)行了全參數(shù)空間的高精度掃描。

圖1：(A)兩個(gè)亞波長(zhǎng)膜交換由光子(波浪線)和SPhP(綠線)驅(qū)動(dòng)的熱輻射的方案。幾何相同的膜的紅色和藍(lán)色分別表示高(T+?T)和低(T)溫度。黑色箭頭表示總熱流的方向，膜的厚度小于維恩熱波長(zhǎng)(t<λth)。(B)Thompson等人報(bào)告的超過黑體極限的熱輻射增強(qiáng)和Luo et al.[10]對(duì)于相同厚度的SiN膜(300 nm和270 nm)，以及Tang等人對(duì)于20 nm厚的碳化硅薄膜。虛線只是一種目視指南。

研究團(tuán)隊(duì)首先繪制了熱輻射增強(qiáng)因子（Enhancement Factor, EF）隨歸一化間距（d/λ）變化的完整曲線。結(jié)果顯示，EF 的變化并非簡(jiǎn)單的線性或指數(shù)關(guān)系，而是呈現(xiàn)出明顯的非單調(diào)性：近場(chǎng)激增： 當(dāng)間距小于 100 nm 時(shí)，EF 急劇上升，突破黑體極限數(shù)個(gè)量級(jí)。過渡區(qū)谷值： 在間距約為 1 μm 處，EF 意外地跌落至整個(gè)掃描區(qū)間的最低點(diǎn)，形成了一個(gè)顯著的“抑制型增強(qiáng)谷”（Suppression Valley）。遠(yuǎn)場(chǎng)恢復(fù)： 隨著間距繼續(xù)增大，EF 逐漸回升并穩(wěn)定在高于黑體極限的水平。

圖2：(A)為Scuff-EM計(jì)算生成的表面網(wǎng)格和(B)傳輸函數(shù)相對(duì)于起伏表面電流數(shù)目的收斂分析。電流和網(wǎng)格大小分別是邊界元方法中考慮的未知數(shù)和所用網(wǎng)格三角形單元的平均大小。(C)SIN的相對(duì)介電常數(shù)ε = εR + iεI的實(shí)部和虛部，作為頻率的函數(shù)。黃色區(qū)域表示Reststrahlen帶(ε<0)，(B)中的Scuff-EM模擬是對(duì)間隔d=1微米的100 nm厚的SIN膜進(jìn)行的。藍(lán)點(diǎn)和紅點(diǎn)的疊加表示收斂。

為何會(huì)在過渡區(qū)出現(xiàn)抑制？研究團(tuán)隊(duì)深入分析了不同間距下的能量輸運(yùn)機(jī)制：遠(yuǎn)場(chǎng)機(jī)制（d > 10 μm）： 此時(shí) SPhPs 主要表現(xiàn)為沿薄膜表面的傳播模式。由于 SiN 薄膜的有限尺寸效應(yīng)，SPhPs 在邊緣的反射和干涉導(dǎo)致能量聚集，使得有效發(fā)射面積大于幾何面積，從而維持了高于黑體的輻射水平。過渡區(qū)機(jī)制（d ≈ 1 μm）： 這是一個(gè)“兩不靠”的尷尬區(qū)間。間距不夠小，無法激發(fā)強(qiáng)烈的倏逝波耦合；距離又不夠遠(yuǎn)，無法建立穩(wěn)定的遠(yuǎn)場(chǎng)傳播模式。理論計(jì)算表明，在此區(qū)間內(nèi)，SPhPs 的傳播模式對(duì)熱輻射的貢獻(xiàn)極弱，而倏逝模式尚未接管主導(dǎo)權(quán)，導(dǎo)致總的熱流在此處形成低谷。

圖3：(A)光譜傳輸函數(shù)和(B)厚度為t=100 nm的兩個(gè)SiN膜之間的熱導(dǎo)的溫度演化。(B)中的虛線表示由其對(duì)應(yīng)的黑體對(duì)應(yīng)物GBB=4atσFT3歸一化的熱導(dǎo)，其中σ是Stefan-Boltzmann常數(shù)，F(xiàn)是膜之間的視因數(shù)。(B)中的黑色箭頭表示其虛線與右側(cè)垂直軸相關(guān)。計(jì)算了五個(gè)有代表性的間隔距離。

研究進(jìn)一步考察了薄膜厚度（h）對(duì)過渡區(qū)行為的調(diào)制作用。結(jié)果表明，薄膜越薄，遠(yuǎn)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)越顯著，但過渡區(qū)的谷值也越深。當(dāng)厚度增加至與熱波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)（h ≈ 10 μm），遠(yuǎn)場(chǎng)高臺(tái)與近場(chǎng)谷底之間的落差逐漸消失，谷值現(xiàn)象趨于平緩。這證實(shí)了過渡區(qū)抑制效應(yīng)是亞波長(zhǎng)維度下特有的物理現(xiàn)象。

圖4：(A)兩個(gè)SiN膜之間的熱導(dǎo)G和(B)其黑體歸一化G/GBB作為其分離距離的函數(shù)。在d=1微米處的垂直虛線是眼睛的向?qū)В⑶矣?jì)算了三種厚度和兩種溫度。

結(jié)論與展望

本研究首次在理論上系統(tǒng)揭示并解釋了亞波長(zhǎng)薄膜在遠(yuǎn)場(chǎng)-近場(chǎng)過渡區(qū)的熱輻射抑制現(xiàn)象，填補(bǔ)了納米熱光子學(xué)在這一關(guān)鍵尺度的認(rèn)知空白。現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)： 明確了熱輻射增強(qiáng)因子隨間距變化的非單調(diào)特性，首次鎖定了約 1 μm 處的“抑制型增強(qiáng)谷”。機(jī)制闡明： 揭示了該谷值源于過渡區(qū)內(nèi)傳播模式與倏逝模式的雙重弱勢(shì)，即 SPhPs 耦合效率的階段性能量洼地。維度界定： 確立了薄膜厚度對(duì)過渡區(qū)效應(yīng)的調(diào)控法則，指出該現(xiàn)象是亞波長(zhǎng)體系特有的物理屬性。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)熱光伏（NF-TPV）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免效率損失，器件工作點(diǎn)應(yīng)避開這一“抑制型增強(qiáng)谷”區(qū)間。未來的研究可進(jìn)一步探索通過外場(chǎng)調(diào)控（如光摻雜、磁場(chǎng)）或微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如光子晶體缺陷態(tài)）來主動(dòng)抹平或利用這一谷值，從而實(shí)現(xiàn)納米熱源的精準(zhǔn)按需調(diào)控，推動(dòng)微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）與量子熱機(jī)的發(fā)展。

下面是會(huì)議通知：