[論文レビュー] Graphene-based enhancement of near-field radiative-heat-transfer rectification

Landrieux, Simon, Ben-Abdallah, Philippe+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 64被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、VO2およびSiO2基板を用いたグラフェン強化近接放射熱整流器を提案する。最適な化学ポテンシャルを持つ可変性のあるグラフェンシートが、100 nmの間隔で熱整流効率を最大14%向上させる。この向上は、グラフェンプラズモンが基板表面モード間の結合を強化し、熱フラックスにおける1/d²から1/dへのべき乗則的依存性の遷移を誘導することに起因する。これにより、温度反転条件下での非対称性が最大化される。

ABSTRACT

International audience

研究の動機と目的

• VO2/SiO2ヘテロ構造における近接放射熱移動（RHT）整流を、可変性のあるグラフェンを介して向上させること。
• 異なる材料間の表面共鳴の不一致が熱整流器の非効率を引き起こす問題に対処すること。
• さまざまな真空ギャップにおいて、最大の整流効率を得るためにグラフェンの化学ポテンシャルを最適化すること。
• グラフェンプラズモンがスペクトル的および距離依存的なRHT特性をどのように変化させるかを調査すること。
• ギャップ距離に関する非単調な効率挙動の物理的起源を特定すること。

提案手法

• VO2およびSiO2基板を真空ギャップで分離した2体系をモデル化し、各基板にモノレイヤーのグラフェンシートを被塗布する。
• 放射熱フラックスのランドアウアー形式の分解を用いる：Φ = ∫₀^∞ dω/(2π) ∆Θ(ω) ∑ₚ ∫ d²k/(2π)² Tₚ(ω,k)，ここでTₚは透過係数を表す。
• 周波数および波数依存の表面伝導度σ(ω)と誘電率ϵm(ω)を用いて、グラフェン被膜表面の反射係数を計算する。
• 各ギャップ距離dに対して、整流係数η = (ΦF − ΦB)/ΦFを最大化するように、µVO2およびµSiO2の化学ポテンシャルを最適化する。
• スペクトル的フラックスΦωおよび透過関数TTM(ω,k)を分析し、モード結合および共鳴幅の拡大効果を特定する。
• ΦFおよびΦBのdに対するべき乗則的スケーリングを比較し、静電的領域における1/d²から1/dへの遷移を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンコーティングは、VO2/SiO2を基板とする近接放射熱ダイオードの整流係数にどのように影響するか？
• RQ2 グラフェンプラズモンは、VO2およびSiO2の表面モード間の結合強化に果たす役割は何か？
• RQ3 なぜ整流効率が真空ギャップ距離に対して非単調的依存性を示すのか？
• RQ4 熱フラックスのべき乗則的スケーリング（1/d² 対 1/d）は、効率向上とどのように関係するか？
• RQ5 異なるギャップ距離において、整流を最大化するために最適なグラフェンの化学ポテンシャルを調整可能か？

主な発見

• 100 nmギャップにおいて、グラフェンの化学ポテンシャルを最適化した場合、コーティングなしの系と比較して整流係数ηが最大14%向上する。
• この向上は、主に前方フラックスΦFの増加に起因し、逆方向フラックスΦBはほとんど変化しない。これは、グラフェンプラズモンと基板モードの共鳴結合に起因する。
• スペクトル解析により、グラフェンを有する前方配置では、特に0.8–1.7×10¹⁴ rad/sの周波数範囲で、共鳴モードが広がって強度が増加していることが判明した。
• 最適なグラフェン構成下では、ΦFの1/d²から1/dへのべき乗則的遷移が約35 nm未満で発生し、中間距離における整流効率の向上が促進される。
• dの減少に伴うηの非単調的挙動は、ΦFにおける1/d遷移が非常に小さなギャップでΦBに近づけるため、非対称性が低下するが、絶対的フラックスは上昇するため生じる。
• 1/d遷移の特徴的距離は化学ポテンシャルに依存し、低いµ値では遷移がより小さなdで発生するが、モードのずれが生じる代償が伴う。