天津工业大学朱涛&新加坡国立大学王建生PRB: 共面二维金属间超普朗克辐射热传递机制

近日,天津工业大学朱涛副教授和新加坡国立大学王建生教授团队在纳米尺度热辐射领域取得重要进展。该团队利用非平衡格林函数方法,提出了一种计算共面二维材料辐射热传递的普适微观模型,并将其应用于研究具有方格子结构的二维金属体系。研究发现,共面二维金属体系可以在近场和远场同时实现超越传统黑体辐射极限的"全局超普朗克辐射热传递",为微纳尺度热管理和能量回收利用提供了新的思路。相关成果以"Super-Planckian radiative heat transfer between coplanar two-dimensional metals"为题发表在Physical Review B。论文第一作者和通讯作者为朱涛副教授。

【研究背景】

辐射热传递是热量通过电磁波在物体之间传播的物理过程,其上限一直被认为受制于经典的黑体辐射定律。近年来,一系列理论和实验研究发现,当物体尺度低于辐射波长时,由于近场效应和表面等离子体耦合,辐射热传递可以打破普朗克黑体辐射极限,进入"超普朗克辐射"的新领域。这种现象最初只在近场辐射中被发现,随后的理论和实验研究表明,对于尺寸小于热波长的物体,即使在远场也可能出现超普朗克辐射热传递。这种超常的热辐射现象为热电转换、热管理、能量收集等领域带来了新的机遇,因此受到了广泛关注。

然而,目前对辐射热传递的理论研究主要基于涨落电动力学理论,采用宏观的局域响应模型。这种方法在描述近原子尺度或者非均质材料的极端近场辐射热传递时可能不再适用。为了准确描述纳米结构材料的辐射热传递行为,需要发展微观的非局域理论模型。近年来,一种基于非平衡格林函数的量子输运理论框架被提出用于研究辐射热传递问题。这种方法可以与微观的紧束缚模型自然结合,通过随机相近似等方法计算得到电子的自能,因而能够更加准确地描述纳米尺度热辐射过程。

在这个背景下,朱涛副教授和王建生教授利用非平衡格林函数理论,提出了一个用于计算共面物体辐射热传递的微观模型。他们将这个模型应用到具有方格子结构的二维金属体系,系统研究了其辐射热传递特性。这项研究从微观的角度阐明了二维金属体系超普朗克辐射热传递的机理,为纳米尺度热辐射研究提供了新的思路和方法。

【论文亮点】

1. 提出了一个适用于研究共面纳米结构辐射热传递的普适理论框架,为相关领域的研究提供了新的工具和视角。

2. 发现二维金属体系可以在近场和远场同时实现超普朗克辐射热传递,拓展了对辐射热传递极限的认知,为相关理论的发展提供了新的实验和理论依据。

3. 通过揭示共面体系辐射热传递的微观机制,为设计新型高效热控器件提供了理论指导,有望推动微纳米尺度热管理和能量利用技术的发展。

【图文解析】

图1. 共面二维方格子模型。

在这项研究中,作者考虑了图1所示的两个无限大的二维方格子,它们共面放置,中间由真空隔开。格子常数相同,但温度不同,分别为T1和T2。利用非平衡格林函数方法,作者推导出了描述这个体系辐射热传递的普适公式。在公式中,热流由Landauer formula给出,其中的透射系数可以用Caroli formula表示。该公式将透射系数与体系的光子格林函数以及自能联系起来,而自能描述了电子与光子的相互作用。

为了计算自能,作者采用了紧束缚模型。在这个模型中,电子只能在格子的最近邻格点之间跳跃,跳跃几率由紧束缚参数决定。通过推导电子和光子的相互作用哈密顿量,并运用图论方法,作者得到了自能的解析表达式。在计算中,作者进一步假设体系处于局域平衡态,使得涨落-耗散定理成立。在这个假设下,自能的表达式可以写成电子格林函数的形式。电子格林函数可以利用动力学方程求解,其中格林函数由体系的色散关系唯一确定。

此外,作者还考虑了更加简单的Drude模型。在这个模型中,金属的介电函数由Drude公式给出。利用这个模型可以避免繁琐的紧束缚计算,但仍然保留了金属的主要物理特性。Drude模型还允许通过引入尺度因子的方法处理更大的体系,因此可以模拟具有实验尺度的真实材料。

图2. 辐射热流随二维金属片间距的变化关系。

图2描绘了辐射热流随二维金属片间距的变化关系。作者计算了总辐射热流以及传播波和隐失波的分量随间距的变化曲线,并与基于Stefan-Boltzmann定律的黑体辐射热流进行了比较。结果表明,在近场区域(真空间隙小于100纳米),隐失波主导了辐射热传递,其辐射热流随间距增大呈现出快速衰减的趋势,但在相当宽的间距范围内都显著高于黑体辐射极限,体现出典型的近场效应增强特性。随着间距进一步增大到远场区域,隐失波迅速衰减,传播波的贡献开始占主导。值得注意的是,传播波的辐射热流在1纳米到100微米的距离范围内保持了一个较为恒定的值,且远高于相应间距下的黑体辐射极限,这意味着即使在远场区域,该体系的辐射热传递也体现出超普朗克特性。随着间距的进一步增加,传播波热流最终呈现出与黑体辐射相似的1/d衰减趋势,但在计算的最大间距(10毫米)下,其值仍比黑体辐射高出近6个数量级。综合以上结果,图2清楚地展示了共面二维金属体系的总辐射热流和分量热流的变化趋势,证实了其在宽距离范围内普遍存在的超普朗克辐射热传递特性。

图3. 共面二维金属体系的传输函数(transmission function)频谱。

图3展示了两个共面二维金属体系的传输函数(transmission function)频谱。作者固定了两个金属片的间距为1微米,在这个距离下,近场的隐失波和远场的传播波都对辐射热传递有显著贡献。如图3所示,传输函数谱在频率-波矢平面上呈现出明显的双区间特征。在频率-波矢关系满足q2 <ω 2/c 2的中心区域, 传输函数谱主要来自于传播波的贡献,且主要分布在与两个金属片温度(1000 K和300 K)对应的热频段。而在两侧q 2>ω 2/c 2的区域, 传输函数谱则主要源自隐失波的贡献。有趣的是,这些隐失模式主要局域在一个与光线色散q 2=ω 2/c 2平行的狭窄区间内,其色散关系接近±ω/c,表明它们可能源自表面等离激元耦合。总的来说,图3的结果直观展示了传播波和隐失波对辐射热传递的不同贡献,也揭示了共面二维金属体系独特的热辐射传输模式。

【研究意义】

本研究提出的理论模型为研究共面纳米结构的辐射热输运提供了普适而有效的工具,可用于指导相关材料和器件的优化设计。研究揭示二维金属可以实现近远场"全局超普朗克辐射热传递",拓展了人们对辐射热传递极限的认知,将推动微纳尺度热管理和能量利用技术的进一步发展。同时,本工作也为研究其他类型二维材料体系的热辐射现象提供了理论基础,有望促进更多前沿交叉研究的开展。

【通讯作者简介】

朱涛, 天津工业大学副教授。主要从事微纳尺度光子输运基础理论方面的研究，并长期从事材料激发态性质理论研究和计算。提出建立了基于涨落电动力学理论（FE）和非平衡格林函数（NEGF）标量场理论的近场辐射换热问题的第一性原理研究方法，并编写了相关计算软件。首次将光子输运引起的能量、动量、和角动量传播统一到同一个理论框架中。在Nature Communication, Physical Review B, Physical Review Applied等期刊已发表论文十余篇。

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.245427

热辐射与微纳光子学

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