基于新型二维材料的多层周期性结构近场辐射热传输的研究

• 作 者: 钟良英
• 出 处: 南昌大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 涨落电动力学 有效介质理论 传输矩阵 石墨烯 表面等离激元

由于可以超过黑体辐射极限,并且在热光伏电池、热扫描显微镜等技术领域有些重要的应用前景,近场辐射热传输在近年来从理论和实验两个方面都引起了广泛关注。人们发现对于一些能够支持表面极化子(表面等离激元极化子,表面声子极化子)的材料来说,其所支持的表面模式对于增强近场热辐射具有重要帮助。另外,由于新型二维材料(如石墨烯、黑磷)具有优异的电子学、光学性质,基于这些二维材料近场辐射热传输问题的研究也获到了重要进展。尽管这些石墨烯、黑磷等材料可以激发表面等离激元模式,但这些模式往往只局限于其共振频率附近,这也限制了它们利用表面模式增加近场辐射热传输的应用。将石墨烯与介质材料交替排列形成周期性结构,可以实现来自于不同石墨烯层的表面等离激元的耦合,实现对辐射热传输的增强。此外,由石墨烯和介质材料组成的周期性结构在宏观上表现出双曲超材料的性质,而双曲超材料可以支持宽频的双曲模式,相对于表面模式来说,双曲模式对于增加近场热辐射具有更多的优点。本文主要研究基于新型二维材料的多层周期性结构近场辐射热传输,本论文的研究内容可以分为以下几个部分:首先,基于涨落电动力学和涨落耗散定理,采用有效介质理论和传输矩阵方法探究两半无限大平板之间的近场辐射热传输的机理,还分析了相关材料的光学性质。其次,石墨烯和碳化硅周期性排列组成的结构构成双曲超材料,讨论双曲超材料间的近场热辐射传输增强的物理机制,分别计算了石墨烯化学势、碳化硅厚度以及间距对近场辐射热流的影响。最后,理论计算了黑磷和碳化硅周期性排列组成的结构之间的近场热辐射传输系数,分析了黑磷电子掺杂浓度、间距、碳化硅厚度对辐射热流的影响。还计算了石墨烯覆盖在碳化硅块上与黑磷/碳化硅周期性排列组成的结构间的近场辐射热流,并且得出当选取合适参数时,近场辐射热流可以达到最大。