日前，卡内基梅隆大学Sheng Shen教授团队与斯坦福大学范汕洄院士(美国工程院、科学院、创造家科学院、人文与科学院四院院士)团队初次实验达成了“超材料增强近场辐射传热”。有关成就以“metamaterial|enhanced near|field radiative heat transfer”为题发表在《Nature》上，Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu为一同第一作者。
日前，卡内基梅隆大学Sheng Shen教授团队与斯坦福大学范汕洄院士(美国工程院、科学院、创造家科学院、人文与科学院四院院士)团队初次实验达成了“超材料增强近场辐射传热”。有关成就以“metamaterial|enhanced near|field radiative heat transfer”为题发表在《Nature》上，Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu为一同第一作者。
01 研究背景
在传统认知中，热量总是通过接触传导、空气对流或普通热辐射进行传递，而热辐射长期被觉得受“黑体极限”约束。然而，当两个物体之间的距离缩小到纳米尺度时，隐藏在表面的倏逝波会被激活，热量传输能力将疯涨数个数目级。这种被叫做“近场辐射传热”的现象，近年来被觉得有望改变热光伏发电、芯片散热与红外探测等范围。不过，过去实验主要依靠天然材料本身的表面极化激元效应，怎么样进一步主动调控甚至增强近场热辐射，一直缺少真正的实验验证。
02 研究成就
研究团队初次实验达成了“超材料增强近场辐射传热”。研究职员设计了一种由金开口环谐振器(SRR)组成的超材料结构，并将它构筑在氮化硅薄膜之上。实验结果显示，相比普通氮化硅结构，这种超材料可将近场热流提高2至4倍，在部分条件下甚至达到黑体辐射极限的20倍以上。更关键的是，研究团队进一步揭示：增强源自超材料中的等离激元模式与氮化硅中的表面声子极化激元(SPhP)之间发生了强耦合。这意味着，人类初次真正达成了借助人工超材料主动操控纳米尺度热辐射，为将来热管理和能源转换技术打开了全新方向。
03 研究内容
团队第一构建了三种不一样的近场传热模型，用来比较超材料到底能带来多大改变(图1a)。第一种是最基础的氮化硅薄膜结构，两片SiN膜之间隔着纳米级真空间隙，热量主要依靠表面声子极化激元进行耦合传输。第二种则是在SiN膜表面覆盖金薄板，研究职员原本期望金属能进一步增强局域场，但结果却并不理想。第三种才是核心设计：在SiN膜表面构筑由金开口环谐振器组成的超材料阵列，让局域等离激元模式参与热辐射过程(图1a底部)。为了真正测量纳米尺度热流，研究团队还搭建了一套极其精密的实验平台(图1b)。整个器件由两块悬空氮化硅膜组成，中间间隙最小仅250 nm，并通过电子束揭秘精准对准超材料结构。左边膜作为“热发射端”，借助铂微加热器升温;右边膜则通过超长微型热敏电阻实时监测接收到的热量。通过这种设计，研究职员可以直接测量不同结构之间的近场辐射热流变化。最后实验结果让人惊讶：在所有间隙条件下，带有SRR超材料的结构热流都远高于普通SiN结构与金薄板结构(图1c)。当间隙为730 nm时，热流提高约4倍;即使在250 nm间隙下，依然维持约2至3倍增强，相比黑体辐射更是高出约20倍。换句话说，这种人工超材料真的像“热量加速器”一样，大幅提高了近场辐射效率。
图1：研究团队设计三种近场传热结构，并初次实验达成SRR超材料增强近场热辐射。
进一步地，研究职员开始研究温差变化对热流的影响(图2)。实验中，他们固定接收端温度为300 K，然后越来越提升发射端温度，使温差ΔT从0渐渐增加到100 K。结果发现，在不同间隙条件下，SRR超材料器件的热流都一直明显高于另外两种结构，而且伴随温差增加，热流近乎线性增长(图2a|2c)。愈加重要的是，研究团队还额外模拟了“只有SRR结构而没SiN极化激元”的状况。理论结果显示，单独SRR本身虽然可以产生肯定热辐射增强，但远远达不到实验中察看到的水平。这意味着，真正的要紧机制并非简单的金属共振，而是SRR模式与SiN中的SPhP模式发生了协同耦合。也就是说，这种增强效应本质上来自两类激元之间的“合作”，而不是单一结构的贡献。
图2：不同温差与不同间隙条件下，SRR超材料器件均表现出远超普通结构的热流增强成效。
下面，研究职员进一步剖析了热流在频谱中的分布规律(图3a|3c)。他们发现，在普通SiN结构中，热流主要集中在约1.8×1014 rad s|1附近，这是典型的SPhP共振频率。而在纯SRR结构中，则出现了两个典型峰值，代表SRR之间发生模式耦合。但真正有趣的是SRR+SiN复合结构。研究职员发现，在这种结构中，频谱变得复杂很多，出现了两组新的增强峰。理论剖析表明，这是由于SRR等离激元与SPhP模式发生混合，形成了新的“杂化模式”。这类新模式不只增强了局域电磁场，还扩大了热能吸收范围，因此显著提升了整体热流。
为了更直观理解热量到底“流”向哪儿，团队还计算了不同结构中的吸收功率分布(图3d|3f)。普通SiN结构中，热量主要分布在薄膜边缘;金板结构中，热量甚至愈加局限于边界地区，因此整体传热反而降低。而在SRR超材料结构中，热量则广泛分布于整个开口环地区，并深入扩展到SiN薄膜内部。这说明超材料不只增强了局域场，还真正扩大了热辐射参与地区，因此最后达成整体热流提高。
图3：理论频谱剖析揭示，热流增强源自SRR等离激元与SiN表面声子极化激元之间的强耦合
那样，SRR与SPhP之间到底是怎么样耦合的?为知道答这个问题，研究团队继续拓展了局域态密度(LDOS)模拟与nano|FTIR近场红外实验(图4)。在理论模拟中，研究职员第一单独研究SRR结构。他们发现，伴随开口环长度增加，SRR本征共振频率不断红移(图4a顶部)。而单独的SiN薄膜则一直维持固定的SPhP共振频率(图4a中部)。但当SRR放置到SiN膜表面后，原本独立的两个共振模式忽然“分裂”为两条新的杂化分支(图4a底部)。这种典型的“反交叉”现象，正是强耦合形成的标志。随后，研究团队借助nano|FTIR技术直接对单个SRR结构进行了红外近场测量(图4b)。实验中，他们越来越改变SRR长度，从1000 nm增加到2200 nm，并测量其局域红外响应(图4c)。结果发现，实验获得的峰位变化与理论预测高度一致：伴随SRR尺寸变化，两个杂化峰不断挨近又离别，明确展示出SRR模式与SPhP模式之间的强相互用途(图4d)。
图4：通过LDOS模拟与nano|FTIR实验，研究职员直接察看到SRR与SPhP形成杂化模式的过程。
04 结论与展望
总体来看，这项工作初次完成了“超材料增强近场辐射传热”的实验验证，不只证明人工超结构可以显著提高纳米尺度热流，更揭示了等离激元与表面声子极化激元之间强耦合的核心计制。这意味着，人类终于可以像设计光学器件那样，主动设计和编程热辐射行为。将来，这一方向有望广泛应用于热光伏发电、芯片散热、红外探测、热管理乃至辐射制冷等范围，为能源与信息技术带来全新的底层能力。
免责声明：本文内容来来源于“高分子科学前沿”，如需转载请联系大家。如涉及作品内容、版权和其它问题，请来电或致函告之，大家将准时给予处置!
