[論文レビュー] Spectral thermal gaps due to plasmon-phonon mode interaction in bilayer systems

J. E. Pérez-Rodríguez, Giuseppe Pirruccio+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 40被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、ドーピングされたGaAsにおける表面プラズモン極性波とNaBrにおける表面フォノン極性波を二層構造内で結合させることで、近接場放射熱伝導（NFRHT）におけるチューナブルなスペクトル的熱ギャップを生成するメカニズムを提案する。中間層におけるプラズモン-フォノン結合が熱バンドギャップを形成し、広い周波数範囲で熱伝導を抑制するが、二層間のギャップ内結合によりエネルギー伝達が可能となる。これらのメカニズムの優位性はギャップ距離と層の順序に依存し、NaBrが上層にある場合に約500 nmのギャップ距離で最大の抑制が達成される。

ABSTRACT

We present a theoretical study of the modification of the near-field radiative heat transfer due to phonon-plasmon coupling in bilayer systems made of a doped semiconductor and a polar dielectric. By tuning the surface-plasmon mode of the former material in resonance with the phonon modes of the latter one, the near-field spectral radiative heat transfer can be suppressed in a frequency band gap. We distinguish between the interlayer mode coupling within each bilayer and the intragap one between the two bilayers. We elucidate the role of each of them in the formation of the band gap and we determine the distance range at which one mechanism dominates over the other. Furthermore, we show that the surface plasmon polariton of the top-most layer allows optimizing the total heat transfer as a function of the separation of the two bilayers.

研究の動機と目的

• ドーピングGaAsとNaBrで構成される二層系におけるプラズモン-フォノン結合が、近接場放射熱伝導（NFRHT）に与える影響を調査すること。
• 表面プラズモンモードとフォノンモードのハイブリダイゼーションによって生じるスペクトル的熱ギャップが出現する条件を特定すること。
• 熱バンドギャップ形成に寄与する中間層結合（各二層内）とギャップ内結合（二層間）の役割を区別すること。
• 層の順序とギャップ距離が、結合メカニズムの優位性と総合的熱伝導に与える影響を特定すること。

提案手法

• ドーピングGaAs（ドーブモデル）とNaBr（フォノン極性波モデル）の誘電関数を用いて、真空中ギャップで分離された二つのGaAs/NaBr二層間のNFRHTを理論的モデリングする。
• フラクチュエーション-分散定理と積層系のグリーン関数形式を用いて、スペクトル的熱フラックスを計算する。
• 表面プラズモン極性波（SPP）および表面フォノン極性波（SPhP）モードの解析を行い、その分散関係と浸透深さを評価する。
• GaAs-空気界面におけるGSPPの浸透深さを用いて、モードの閉じ込め具合とギャップ距離依存性を説明する。
• 二層系とGaAsのみの基準系との比較のため、正規化された熱伝導パラメータη_GaAsとη_NaBrを定義する。
• ギャップ距離Lに依存する総合的熱伝導Qの数値的評価を行い、中間層結合とギャップ内結合の競合に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAs/NaBr二層系におけるプラズモン-フォノン結合は、近接場放射熱伝導のスペクトル的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 熱バンドギャップ形成に寄与する中間層プラズモン-フォノン結合と二層間ギャップ内結合の相対的寄与度は何か？
• RQ3 材料の順序（GaAsが上層か、NaBrが上層か）は、結合メカニズムの優位性と総合的熱伝導にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ギャップ距離がどの程度の値でギャップ内結合から中間層結合への優位性の転換が起こり、その転換を決定づける要因は何か？
• RQ5 ドーピングGaAsのキャリア濃度を調整することで熱バンドギャップをチューニング可能か？また、これにより熱フラックスの抑制にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 表面プラズモン極性波（SPP）と表面フォノン極性波（SPhP）のハイブリダイゼーションにより、広い周波数範囲で熱伝導が抑制されるスペクトル的熱バンドギャップが形成される。
• GaAs/NaBr界面における中間層プラズモン-フォノン結合が、熱バンドギャップの開口を主に決定する。
• ギャップ距離L < 100 nmの範囲では、ギャップ内結合が支配的であり、GSPPモードは強く閉じ込められており、誘電体層のフォノンモードにほとんど依存しない。
• L ≈ 500 nmのとき、総合的熱伝導はGaAsのみの基準系と比較して最大30％まで低下し、NaBrが上層にある場合に最大の抑制が達成される。
• GaAsが上層の場合、Lが小さくなるに従い熱伝導が急激に減少し、GaAsのみの値に近づくため、金属的層が熱輸送チャネルを支配していることが示唆される。
• GSPPの浸透深さ（δ）がモードの閉じ込め具合を決定する：L = 50 nmではδ ≈ 30 nm（δ < d₁ = 50 nm）、L = 500 nmではδ ≈ 100 nm（δ > d₁）であり、これにより結合メカニズムの優位性の転換が説明できる。