JQSRT：SiC纳米线链实现近零辐射损耗的热红外波导

论文信息：Joseph C. McKay, Bart Raeymaekers, Mathieu Francoeur,Near-zero-emission-loss thermal infrared waveguiding enabled by SiC nanowire chains,Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer(2026), 109890.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2026.109890

研究背景

在纳米尺度下，热辐射的传输不再只依赖传统的远场电磁波，而是会受到表面极化激元等近场模式的强烈影响。这些模式可以在纳米结构之间实现高度局域化的能量传输，使热辐射表现出类似波导传输的特征。近年来，研究者开始探索利用纳米结构构建“热辐射波导”，以实现长距离、高效率的能量传输。然而，大多数结构在传输过程中仍然会产生显著的辐射损耗，使能量逐渐泄漏到远场。一个关键问题因此出现：是否能够通过合理设计纳米结构，使热辐射在传输过程中几乎不向外辐射，从而实现接近无损耗的热红外波导传输。

研究内容

研究首先提出利用SiC纳米线链结构来实现热红外波导。该结构由多个纳米尺度的SiC颗粒沿一条链排列而成，通过近场耦合使相邻纳米结构之间形成连续的能量传输通道，从而构建出类似光学波导的热辐射传输路径。

图1 SiC纳米线链热红外波导结构示意图。纳米线沿链方向排列，通过近场耦合实现能量传输。

在此基础上，随后建立了基于涨落电动力学的多体理论模型，用于描述纳米线链中各个粒子之间的辐射耦合。该模型能够同时考虑所有纳米结构之间的相互作用，从而准确预测整个链结构中的能量传播行为。

图2 SiC材料在中红外波段的光学性质以及支持表面声子极化激元的频率范围

在材料特性分析中，研究展示了SiC在中红外波段的光学性质，并指出其在Reststrahlen频带内能够支持强烈的表面声子极化激元。这种极化激元模式为纳米线链中的能量耦合提供了关键物理基础。

图3 纳米线链中热辐射传输模式的分布，展示能量在结构中的传播路径

接着分析了纳米线链中的 辐射传输模式分布。结果表明，当纳米线之间的距离足够小且结构排列合理时，能量可以沿着纳米线链定向传播，而向外辐射的能量则显著减少。

图4 不同结构参数下的辐射发射率变化，说明纳米线形状对辐射损耗的影响

进一步的计算展示了辐射发射率和辐射导热率随结构参数变化的规律。通过调整纳米线的形状和排列方式，可以显著降低能量泄漏，使系统的辐射导热能力得到增强。

图5 纳米线链的辐射导热率随结构参数变化的规律

研究还比较了不同纳米线形状参数对系统性能的影响。结果表明，低球形度（elongated nanowires）的结构能够显著抑制向远场的辐射损耗，从而实现更高效的能量传输。

图6 不同球形度纳米线结构的能量传输效率比较

随后对纳米线链长度进行了系统研究。随着纳米线数量增加，能量可以在更长距离上传播，同时整体辐射损耗保持较低，表现出类似低损耗波导的特征。

图7 纳米线链长度对辐射能量传播能力的影响

研究还分析了纳米线排列不完美情况下的影响，例如结构偏移或间距变化。结果表明，系统在一定程度上对结构缺陷具有鲁棒性，仍然能够保持较高的辐射传输效率。

图8 纳米线排列不完美情况下的辐射传输特性

最后，通过综合分析辐射损耗与传输效率，证明SiC纳米线链能够实现接近零辐射损耗的热红外波导传输，为纳米尺度热能传输提供了一种新的设计思路。

图9 果SiC纳米线链实现近零辐射损耗热红外波导传输的综合结果

结论与展望

这项研究提出了一种基于SiC纳米线链的热红外波导结构，并系统分析了其近场辐射传输机制。通过采用涨落电动力学的多体理论框架，研究计算了纳米线链中不同粒子之间的辐射耦合，并预测了系统的发射率与辐射导热性能。结果表明，在Reststrahlen频带内，SiC能够支持强烈的表面声子极化激元，这些模式在纳米线链之间形成连续的耦合通道，使热辐射能够沿结构方向传播。进一步研究发现，当纳米线具有较低球形度并沿链方向排列时，系统向远场的辐射损耗显著降低，从而实现接近零辐射损耗的能量传输。同时，该结构在一定程度上对几何缺陷具有鲁棒性，仍然能够保持较高的辐射导热能力。研究表明，通过合理设计纳米结构几何形状和排列方式，可以将热辐射转化为一种可控的波导传输形式，为纳米尺度热能管理、热信息传输以及近场能量器件设计提供了新的思路。

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