石墨烯等离激元在近场辐射热传输中的作用研究

发布时间：2020-07-09 09:27

【摘要】：当今,对可持续能源日益增长的需求,导致了对性能优于现有技术获取能源方法的迫切需求。近场热辐射的研究,成为了加速能源收集系统高效输出的一个最具发展前景的方向。在不同温度下,当两个物体的距离远小于热辐射的特征波长时,此时它们之间的近场热辐射可以远远超过著名的黑体限制。这种效应是由从每个物体发出的倏逝波耦合帮助光子穿过缝隙引起的,称之为光子隧穿。所以,在过去几十年里,近场热辐射无论是在理论上还是实验中都得到了很大的关注,辐射热传输的应用很广泛,从热成像、辐射冷却、热光生电系统到热能量转换等领域都有涉及。各种各样的结构和新型材料被提出用来提高近场辐射热传输。超材料、双曲超材料、碳化硅薄膜覆盖超材料等等材料结构都被提出用来增强近场热辐射。继续努力探索可以产生巨大传热率的新型材料或结构,从而解决热光伏器件的传输问题。THz波的辐射传输也是一个有趣的研究课题。特别是在近场范围,太赫兹波对辐射传输的贡献也是值得探究的。在谐振模式下,如在表面声子极化(SPhPs)和表面等离子体激元(SPPs)等模式的作用下,两个物体之间近场辐射热传递可以显著增强。对于金属材料来说,其有限传导率或介质材料的高吸收系数会造成能量高损耗,而石墨烯材料的出现弥补了它的不足,石墨烯材料就是一种可以支持从太赫兹到中红外频率表面等离激元传播的材料。石墨烯纳米材料,它是由蜂窝晶体状的单层碳原子排列而成的二维结构,具有优异的光学和电子特性使其得到了广泛的关注。与金属材料相比,基于石墨烯材料的石墨烯等离激元(GSPPs)可以把电磁场限制在亚波长尺度范围内。此外,GSPPs还可以通过外加偏压和化学掺杂的方式实现动态调节。在本文中,我们设计了几种基于石墨烯材料来提高近场热辐射的新型结构。首先利用石墨烯和超材料的结合,基于石墨烯的表面等离子激元(SPs)和超材料的SPs耦合实现了近场热辐射的增强。其次,讨论了太赫兹(THz)波对近场热辐射的贡献,利用石墨烯和硅材料堆叠成的双曲超材料结构,由于双曲超材料存在连续的双曲模式,实现辐射热传输在整个THz范围内的提高,同时,利用石墨烯等离激元的传播可以通过化学势来改变,实现对近场热辐射的动态控制。最后,充分利用两个单层共面石墨烯纳米带结构的石墨烯等离激元耦合实现高速和超紧凑的太赫兹器件。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11
【图文】：

示意图,辐射热,材料,热传输

Wd d时，物体之间热传输会增强几个数量级。所考虑的模型如图1.1所示，则两材料之间的辐射热流可以由下面的表达式给出： 02 221 2/31 2 20 0 21 21 1[ ]81zj jczj jik dR RS d n n d qR R e 00221 231 2 20 / 21 2Im Im[ ]21zzj jk dc j jik dR R ed n n d qR R e (1.2)其中 /1,T1Bk Tne ，q 表示平行波矢分量，z0k 表示垂直于介质表面的波

虚部,实部,化学势,相对介电常数

图 1.2 （a）和（b）分别代表了石墨烯电导率的实部和虚部与频率的关系，（c）和（d）分别代表了相对介电常数的实部和虚部随频率的变化，其中（a）和（c）对应的化学势 0.15eV，（b）和（d）对应的化学势 0.05eV。

虚部,实部,电导率,和频率

图 1.3 电导率的（a）实部和（b）虚部与化学势和频率的关系图。图 1.2（a）和 1.2（b）表示了石墨烯电导率的实部和虚部随频率的变化，化学势从 0.15eV 变成 0.05eV，红色线条代表虚部，蓝色线条代表实部。正如所预期的，石墨烯的电导率与化学势之间存在一定的关联，对于一个给定的

【参考文献】