[論文レビュー] Giant near-field mediated heat flux at the nanometer scale

Konstantin Kloppstech, Nils Könne+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ナノスケールのギャップ（0.2–7 nm）における金被膜を施した近場走査熱的マイクロスコープ（NSThM）の先端と平らな金サンプルとの間で、直接的かつ定量的な近場放射熱フラックスの測定を報告している。その結果、黒体放射をはるかに上回る5個以上のオーダーの増幅が観測され、従来のフラクチュエーショナル電磁力学の予測を4個のオーダーも上回った。観測された増幅は、既存のフォノントンネル効果理論では説明できないため、原子スケールの真空中での熱伝達のための新しいモデルの必要性が示された。

ABSTRACT

In this Letter, we report on quantitative measurements of the absolute near-field mediated heat flux between a gold coated near-field scanning thermal microscope (NSThM) tip and a planar gold sample at nanometer distances of 0.2 nm- 7 nm. We find an extraordinary large heat flux which is more than five orders of magnitude larger than black-body radiation and four orders of magnitude larger than the values predicted by conventional theory of fluctuational electrodynamics. Additionally, we compare our data with different theories of phonon tunneling which might explain a drastically increased heat flux, but are found not to be able to reproduce the distance dependence observed in our experiment. The findings demand modified or even new models of heat transfer across vacuum gaps at nanometer distances.

研究の動機と目的

• ナノメートルスケールの距離における真空中の絶対的放射熱フラックスを直接測定し、近場と接触的熱伝導の間のギャップを埋める。
• 特にフラクチュエーショナル電磁力学およびフォノントンネル効果に基づく既存理論モデルの、極めて小さな10 nm未満の分離状態における妥当性を検証する。
• 原子スケールの分離状態における放射熱伝導から接触的熱伝導への遷移領域で、理論的予測と実験的観測との乖離を解明する。
• 4 nWの熱フラックスを測定可能で、横方向分解能が6 nm、熱伝導度感度が24 pW/Kに達する校正済みで高感度なNSThMプローブの開発

提案手法

• 金被膜（100 nm）を施したPt-Irワイヤー先端を備えたカスタム製近場走査熱的マイクロスコープ（NSThM）を用い、Au-Pt界面に自己形成された熱電対を介して局所的熱電圧を検出する。
• 1ωホットワイヤー法を用いて熱電圧-熱フラックス比（ε = 0.43 µW/µV）を校正し、絶対測定を可能にした。相対誤差は約14%であった。
• 超高真空（10⁻¹⁰ mbar）環境下で測定を実施し、熱的および機械的ノイズを最小限に抑えた。0.08 nm解像度でステップワイズな接近・分離を繰り返し、ギャップ依存の熱フラックスをマッピングした。
• フラクチュエーティング表面電流に基づく有限要素境界積分法を用いて数値モデル化し、幾何形状はRao-Wilton-Glisson（RWG）基底関数で離散化した。材料応答は金のドレーディモデルでモデル化した。
• プローブはイン・スイットで校正され、各方向ごとに100サイクル平均化された。ドリフトは、開始時と終了時のピエゾストローク差が50 pm未満であることを確認することで制御された。
• サンプルは、単結晶のAu(111)表面を有する200 nmの金膜をムーリー基板上に形成し、原子的平坦性と22×√3再構成を達成した。サンプルは120 Kに冷却された一方、プローブは室温を維持した（ΔT = 160 K）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2–7 nmのギャップで分離された2つの金表面間の放射熱フラックスの大きさはどの程度か。この領域では従来の理論が破綻する。
• RQ2 10 nm未満のギャップにおいて、測定された熱フラックスはフラクチュエーショナル電磁力学およびフォノントンネル効果モデルの予測と比べてどのように異なるか。
• RQ3 フォノントンネル効果を組み込んだ既存の近場熱伝達理論は、観測されたギャップ依存性の熱フラックスを再現できるか。
• RQ4 プローブの幾何形状（円錐形先端対球面近似）が、近場領域における予測される熱フラックスにどの程度影響を与えるか。
• RQ5 原子スケールの真空中ギャップにおける熱伝達の増幅に、電子波動関数の重なりや量子効果が果たす役割は何か。

主な発見

• 0.2 nmギャップにおいて、測定された熱フラックスは黒体放射を5個以上のオーダーも上回っており、古典的予測をはるかに超えるスーパー・プランク効果が顕在された。
• 測定された熱フラックスは、最小ギャップ（0.2 nm）においても、従来のフラクチュエーショナル電磁力学による予測値を約4個のオーダーも上回っている。
• プリュニラなど（Prunnila et al.）、メハン（Mahan）、ブダエフ＆ボージ（Budaev & Bogy）、セランら（Sellan et al.）、チリョアンら（Chiloyan et al.）のフォノントンネル効果理論を含む、いかなる既存理論でも観測されたギャップ依存性を再現できない。
• フラクチュエーティング表面電流に基づく数値モデルは実験と良好な一致を示したが、単純な点近似モデル（PA）は先端先端部の寄与および全体のフラックスを過大評価していた。
• 校正法により、絶対的熱フラックス測定の相対誤差が約14%に抑えられ、ナノスケールでの放射熱伝達の信頼できる定量的評価が可能になった。
• プローブは50 Hz帯域幅において、熱フラックス感度が4 nW、熱伝導度感度が24 pW/Kに達し、原子スケールの分離状態における近場効果の検出が可能になった。