非真空下石墨烯参与的硅及碳化硅的近场辐射传热

• 作 者: 欧涵
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 近场热辐射 石墨烯 导热与辐射耦合 微纳间距

在微纳尺度领域,当两个介质之间的间距小于特征波长时,光子隧穿效应对辐射贡献作用显著,极大地增强两介质之间的近场辐射换热。因此近场热辐射在微机电系统或强化换热等工程应用中有重要发展意义。而石墨烯因为具有独特的力学、光学等物理特性,近年受到多领域研究者的关注。石墨烯表面等离激元存在太赫兹至中红外的宽频谱范围内,具备很强的可调节特性以及近场区域耦合增强近场热辐射的优势。本论文主要研究了石墨烯复合结构在强化近场辐射换热的应用,同时以实验和工程应用为背景,研究了空气等因素对辐射换热的影响,以及平行平板之间微纳间距的控制方法与制备工艺。首先,从近场热辐射的表面电磁波以及波动电动力学等基础理论出发,对石墨烯-硅复合结构间以及石墨烯-碳化硅复合结构间的辐射换热进行计算,结果显示,这两种结构由于石墨烯表面等离激元的影响,近场辐射换热相对未覆盖石墨烯的掺杂硅平板或者碳化硅平板有明显的提升。同时也对相关参数如掺杂硅的掺杂浓度、真空间距以及石墨烯的化学势即费米能级进行了分析讨论。其次,考虑实验、工程应用背景,从气体动力学出发,分析了气体压强以及平板间距参数造成的空气导热与辐射热流比例变化的影响,结果表明,只有当环境处于高真空即至少低于10^-1 Pa时,空气导热才可以忽略不计。同时在1 cm×1 cm基底上,对控制平板间距的支撑柱结构进行设计,从尺寸效应角度,分析支撑结构导热对辐射热流主导地位的影响,以及对设计方案的结构稳定性进行模拟,表明柱子直径为2μm,阵列周期为1000μm或者柱子直径1μm,阵列周期为600μm时方案最优。最后,根据实验室现有仪器设备,设计出控制平板间距的支撑柱结构制造实验流程方案。并通过多次实验,确定可重复的实验工艺参数,并总结出各个流程中可能出现的问题,为后续近场实验奠定基础。