各向异性双曲激元驱动的近场辐射调制器

论文信息：

Yang Hu, Biyuan Wu, Haotuo Liu, Bing Yang, Derui Zhang, Yasong Sun, and Xiaohu Wu, Near-field radiative modulator driven by anisotropic hyperbolic polaritons in biaxial hyperbolic materials, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer (2022)

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2022.108468

成果简介

近日，山东高等技术研究院吴小虎教授课题组在期刊《Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer》上发表了题为“Near-field radiative modulator driven by anisotropic hyperbolic polaritons in biaxial hyperbolic materials”的研究性论文。

近场辐射调制器是一种新型的热管理器件，能够在纳米尺度上有效地调节近场辐射换热（ NFRHT）， 成为近年来研究热点。二氧化钒（VO2），因其具有优异的温度依赖性光学特性，被认为是近场辐射调制器的典型材料。但是，VO2的金属绝缘体转变仅发生在341K到350K之间，这为热调制器增加了工作温度限制。磁光（MO）材料 虽然能打破上述温度限制，但是通常需要强大的外部磁场或低温环境，这种极端条件可能与紧凑型集成电子设备不兼容。此外，上述关于近场辐射调制器的研究大多基于两体系统，调制对比度相对有限。 相 比之下， α相三氧化钼（α-MoO3）是一种双轴双曲材料，具有三个不同的剩余射线带 ，对应于不同的晶轴，可以较为容易地实现面内各向异性。 由于在α-MoO3中激发的双曲激元具有强方向性，NFRHT表现出高度各向异性特征，这使得通过机械旋转实现NFRHT的动态调制成为可能。基于此，本文研究了α-MoO3平板基底介导α-MoO3纳米粒子的NFRHT，并通过对平板施加机械旋转，实现了对其近场辐射热流的有效调控。

图文导读

图1. α-MoO3平板介导 α-MoO3纳米粒子近场辐射换热示意图 。

图2. 三氧化钼介电常数图。

图 3 . 辐射换热随平板旋转角度的变化情况 。

图 4 . (a)不同平板旋转角度的谱热流， (b)粒子极化率。

图5. (a) 谱热流随旋转角度的变化情况，(b)格林函数和极化率的耦合情况。ω= 1.467 × 1014 rad/s。

图6.(a) α-MoO3纳米粒子发射率，(b)α-MoO3平板反射系数。ω=1.467 × 1014 rad/s。

图 7. (a) 平板 不同厚度时辐射换热随平板旋转角度的变化情况，(b)平板厚度为10 nm时的反射系 数 分布情况， ( c )平板厚度为 100 nm时的反射系数 分布 情况。ω=1.467 × 1014 rad/s。

图8. (a) 谱热流随旋转角度的变化情况，(b)格林函数和极化率的耦合情况。ω= 1.742 × 1014 rad/s。

图9.(a) α-MoO3纳米粒子发射率，(b)α-MoO3平板反射系数。ω=1.742 × 1014 rad/s。

图10. (a) 谱热流随旋转角度的变化情况，(b)格林函数和极化率的耦合情况。ω= 1.855 × 1014 rad/s。

图11.(a) α-MoO3纳米粒子发射率，(b)α-MoO3平板反射系数。ω=1.855 × 1014 rad/s。

图12. 在有 α-MoO3基底时，旋转α-MoO3粒子的辐射换热变化情况。

结论与展望

综上所述，本文研究了由α-MoO3基底介导的两个α-MoO3纳米粒子之间的NFRHT。当基底为半无限大介质时，最大调制对比度可以达到60。该近场辐射调制器的优良性能归因于纳米粒子中的局域双曲声子激元和基底中的体态双曲声子激元的强方向性。 通过研究在各向异性纳米粒子极化率影响下的真空、散射和交叉项格林函数的贡献，进一步揭示了辐射换热调控机理。此外，本文还研究了 平 板基底旋转角度和厚度对调控NFRHT的影响。这项工作有助于基于各向异性多体系统的热辐射调制器设计。

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