基于极化波导的超普朗克热辐射

论文信息：

Saeko Tachikawa, Jose Ordonez-Miranda, Laurent Jalabert, Yunhui Wu, Yangyu Guo, Roman Anufriev, Byunggi Kim, Hiroyuki Fujita, Sebastian Volz, and Masahiro Nomura, Polaritonic waveguide emits Super-Planckian thermal radiation, 2023(oreprint).

论文链接：

https://arxiv.org/abs/2301.02076

研究背景

两物体之间的辐射传热是日常生活和技术生产中的常见现象。经典的辐射传热由普朗克理论描述，该理论预测了普朗克极限——两个宏观物体之间的最大辐射热通量(远场体系)。但辐射通量在两种情况下可超过此极限，一是近场状态，即两个物体间的距离比主要辐射波长更近。该情况下，热辐射主要是通过辐射表面的倏逝电磁波传输。二是当辐射体的尺寸小于主辐射波长时，能够克服远场区域中的限制。这种理论预测的现象在亚波长厚度的悬浮氮化硅纳米膜上得到了实验证明。先前研究中使用的材料是吸收材料，支持表面电磁波在平面内的能量传输。这些表面波是由光子和光声子杂化产生的，被称为表面声子极化激元(SPhPs)。在悬浮纳米膜中，SPhPs可以沿表面传播几毫米，这使得SPhPs成为强大的能量载体，可以比声子传导更多的热量。本文通过实验证明，两个非吸收体之间的远场辐射传热也可以通过在它们表面涂上吸收材料来形成偏振波导从而克服普朗克极限。并通过测量涂有二氧化硅纳米层的两块硅板之间的辐射热导，证实了这种超普朗克远场热辐射。

研究内容

本文制作了四个样品来实验量化两个物体之间的辐射传热。每个样品由两个悬浮的10微米厚的硅板组成，并用间隙隔开，如 图1(a)所示。其中一块板(热板)被加热，另一块板(冷板)由于吸收热板发出的热辐射而出现温升( 图1(b))。用铂(Pt)温度计测量两块板的温度( 图1(c))。分离间隙g为10.7µm，处于远场状态( 图1(d))。为了检测SPhPs对辐射换热的贡献，该实验保留一个样品作为参考，并在另外三个样品中夹入不同厚度的二氧化硅纳米层(30和70 nm)，如 图1(b )所示。由于二氧化硅能够产生SPhPs，而硅不产生，因此除传统的热辐射外，含二氧化硅纳米层的硅板还有望通过SPhPs交换热能。所有样品均置于真空室中，压力为 10 - 3 Pa，以 抑制对流散热。

图1.测量辐射传热的实验平台(a)装置示意图。(b)热板和冷板示意图。热板和冷板之间用真空间隙g隔开。扫描电子显微镜(SEM)图像显示(c)带有铂温度计的设备的俯视图及(d) (c)中虚线矩形框标记的区域的放大。测量到的间隙的实际尺寸为g =10.7µm。

该实验使用3ω法的标准技术测量了板的温度，通过比较有和无二氧化硅纳米层的热导Gg来确定SPhPs对辐射传热的贡献。图2(a)显示，测得的热导随阶段温度T的升高而增大。测量值与普朗克远场热辐射理论的预测一致。该一致性验证了实验的测量结果，并表明被10μm间隙隔开的硅板之间的辐射换热可以用经典理论描述。图2(b)显示了被二氧化硅纳米层夹在中间的硅板之间的间隙热导(三层体系)。与纯硅系统一样，测量的热导随着温度提高而增加，由玻色-爱因斯坦分布函数确定。然而，三层系统(红色标记)的测量值比纯硅系统(蓝色实圈)的测量值高出近两倍。30nm和70nm的二氧化硅纳米层没有显著差异。此外，本文根据普朗克远场理论计算了三层体系的热导，并将其绘制为绿色区域，可知三层体系的计算热导略高于纯硅体系。同时为进行比较，计算并绘制了黑体极限。结果表明，三层系统的测量热导Gg不仅高于GPlanck, 3-layer，还高于黑体极限，这表明Gg的实验值不能用经典普朗克远场辐射理论来解释。

图2.通过实验和理论计算间隙的热导率。在300 ~ 400 K温度范围内，通过(a)两片Si板(纯Si系统)和(b)两片夹有SiO2纳米层的Si板(三层系统)之间的间隙测量的热导。(a)中的蓝色区域表示普朗克理论对远场热导的预测;(b)中的绿色和红色区域分别为普朗克理论对三层体系的理论预测和方程对三层体系的间隙热导的理论预测。

为研究间隙热导增加的原因，本文分析了SPhPs平面内模式的空间能量分布。通过求解麦克斯韦方程组得到三层体系内和真空中的Poynting矢量的面内分量，分别绘在图3(a)和图3(b)中。图3(a)显示，电磁通量主要通过与SPhPs杂化的引导谐振模式在非吸收硅层内传播。第一模式表现出最大的振幅，且振幅随着模式阶数的增加而减小。因此，硅层起到了SPhPs波导的作用，通量主要沿面内方向发射到真空中，如图3(b)所示。铂温度计对平面内Poynting矢量的影响可以忽略不计。

图3.SPhPs能量分布(a)三层系统内部的平面内Poynting矢量和(b)密度映射。(b)中的密度主要是指热板沿面内方向发射电磁通量。计算频率为ω = 203 Trad/s，在该频率下SPhPs具有最强的跨平面约束。

结论与展望

综上所述，本文通过激发SPhP波导模式实验证明了超普朗克远场热辐射，并使用3ω方法测量了两块硅板之间的辐射热导。结果显示，当板中夹有二氧化硅纳米层时，辐射热导的值提高了两倍，其增长源于吸收性二氧化硅纳米层中激发的SPhPs。SPhPs形成主要在非吸收硅层内部传播的波导模式，从而实现沿面内方向的高效能量传输。与先前使用亚波长结构的吸收材料研究相反，这一发现揭示了SPhPs可以用于尺寸与主要辐射波长相当或大于主要辐射波长的非吸收体增强超过普朗克极限的远场辐射。这种超普朗克传热可以通过几何形状相对简单的硅基材料实现，因此，该发现在半导体领域有广泛的潜在应用。

以下为广告部分

招聘信息| 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收科研助理和博士后

点击下图查看详细招聘信息！

点/击/上/图/查/看/详/细/招/聘/信/息

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com