[論文レビュー] Near-field thermal radiation transfer controlled by plasmons in graphene

Ognjen Ilic, Marinko Jablan+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 6, 2012

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、20 nmの間隔において、グラフェン内のプラズモン極性子が2枚のグラフェンシート間の近接場熱放射エネルギー移動を劇的に増幅できることを示している。これは、遠方場のステファノ＝ボルツマン限界を最大1,000倍（10³倍）上回る。同じドーピング条件下でのプラズモン共鳴結合により、熱移動が制御可能かつ数個のオーダー増幅され、制御可能な熱スイッチおよび新しいグラフェンベースの熱光電/熱電エネルギー変換プラットフォームの実現が可能となる。

ABSTRACT

It is shown that thermally excited plasmon-polariton modes can strongly mediate, enhance and \emph{tune} the near-field radiation transfer between two closely separated graphene sheets. The dependence of near-field heat exchange on doping and electron relaxation time is analyzed in the near infra-red within the framework of fluctuational electrodynamics. The dominant contribution to heat transfer can be controlled to arise from either interband or intraband processes. We predict maximum transfer at low doping and for plasmons in two graphene sheets in resonance, with orders-of-magnitude enhancement (e.g. $10^2$ to $10^3$ for separations between $0.1μm$ to $10nm$) over the Stefan-Boltzmann law, known as the far field limit. Strong, tunable, near-field transfer offers the promise of an externally controllable thermal switch as well as a novel hybrid graphene-graphene thermoelectric/thermophotovoltaic energy conversion platform.

研究の動機と目的

• グラフェン内のプラズモン極性子が、2枚の近接したグラフェンシート間の近接場熱放射エネルギー移動をどのように媒介・増幅するかを調査すること。
• 近赤外領域におけるドーピング濃度および電子緩和時間の変化が熱移動に与える依存関係を分析すること。
• 異なるドーピング条件下で、電子遷移の帯内（intraband）または帯間（interband）遷移のどちらが熱移動プロセスを支配するかを特定すること。
• グラフェン系が外部から化学ポテンシャルや緩和時間を制御することで、可逆的かつ外部から制御可能な熱スイッチおよびハイブリッド熱電/熱光電エネルギー変換を実現できる可能性を検討すること。

提案手法

• 本研究では、真空中のギャップで分離された2枚のグラフェンシート間の放射熱移動をモデル化するために、フラクチュエーショナル電磁力学を用いる。
• スペクトル的熱移動関数は、周波数および波数に依存する導電度から導かれるグラフェンのp偏光反射係数を用いて計算される。
• グラフェンの導電度は、帯内遷移に対してドーリング型応答を、帯間遷移に対して自由電子モデルを用いてモデル化し、ドーピング濃度と緩和時間を可変パラメータとして扱う。
• 熱移動率は、すべての周波数にわたるスペクトル的熱移動関数の積分により計算され、2温度間のボルツマン因子の差に重み付けされる。
• 数値シミュレーションは、ドーピング濃度（μ = 0.1–0.5 eV）、緩和時間（τ = 10⁻¹³–10⁻¹⁴ s）、およびギャップ距離（D = 10 nm から 0.1 μm）を変化させながら実施される。
• 増幅度を評価するために、結果は遠方場のステファノ＝ボルツマン限界と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン内のプラズモン極性子は、2枚のグラフェンシート間の近接場熱放射エネルギー移動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 帯内遷移と帯間遷移の両方が熱移動に与える相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 ドーピング濃度が、グラフェンにおける近接場熱移動の共鳴増幅にどのように影響を与えるか？
• RQ4 グラフェンの化学ポテンシャルまたは緩和時間を外部から制御することで、熱移動をチューニング可能またはオン/オフ制御できるか？
• RQ5 グラフェン-グラフェン系において、遠方場のブラックボディ限界を上回る熱移動の最大増幅率はどの程度か？

主な発見

• 20 nmのギャップ、800 Kの源温度条件下で、2枚のグラフェンシート間の近接場熱移動は、遠方場のステファノ＝ボルツマン限界を最大1,000倍（10³倍）まで増幅できる。
• 最大の熱移動は、低ドーピング（μ = 0.1 eV）かつ両方のグラフェンシートでプラズモンモードが共鳴的に結合している場合に観測される。
• 低温・有限温度条件下では、熱的幅が広がるため、2μの閾値を下回っても帯間遷移が熱移動に顕著に寄与する。
• 低ドーピング（μ = 0.1 eV）では帯間遷移が熱移動を支配するが、高ドーピング（μ = 0.3–0.5 eV）では帯内遷移の寄与が顕著に増加する。
• 温度差の影響に対しても熱移動は安定しており、温度依存の導電度に起因する共鳴増幅の相対的低下はわずかである。
• ブラックボディのT⁴則よりも温度依存性が緩やかであるため、低温動作においても優位性を示す。