[論文レビュー] Tuning near field radiative heat flux through surface excitations with a metal insulator transition

P. J. van Zwol, L. Ranno+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2012

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、バナジウムジオキサイド（VO2）の金属絶縁体転移に伴う近接場放射熱移動の調整が、表面励起状態を介して熱移動を顕著に制御できることを実験的に示した。相転移により表面極子励起状態が変化し、遠方場におけるものより大きな熱流量対比が生じる。Derjaguin近似は、遠方場の極限をやや低く見積もるが、近接場移動を正確に予測している。

ABSTRACT

The control of heat flow is a formidable challenge due to lack of good thermal insulators. Promising new oppor-tunities for heat flow control were recently theoretically discovered for radiative heat flow in near field, where large heat flow contrasts may be achieved by tuning electronic excitations on surfaces. Here we show experi-mentally that the phase transition of VO2 entails a change of surface polariton states that significantly affects radiative heat transfer in near field. In all cases the Derjaguin approximation correctly predicted radiative heat transfer in near field, but it underestimated the farfield limit. Our results indicate that heat flow contrasts can be realized in near field that can be larger than those obtained in farfield.

研究の動機と目的

• VO2における相転移が近接場放射熱移動に与える影響を調査すること。
• 表面励起状態、特に表面極子励起状態が熱流量をどのように制御するかを明らかにすること。
• 近接場における熱流量対比が、遠方場におけるものよりも上回るかどうかを特定すること。
• 可変材料を想定した近接場放射熱移動において、Derjaguin近似の妥当性を検証すること。

提案手法

• VO2被膜を施した基板とプローブの間の真空中における近接場放射熱移動を実験的に測定すること。
• VO2の金属絶縁体転移を活用し、表面極子励起状態を動的に調整すること。
• Derjaguin近似を用いて理論的予測をモデル化し、実験データと比較すること。
• VO2相転移に伴う温度依存の熱流量変化を分析すること。
• 近接場と遠方場の熱移動極限を比較し、制御対比を評価すること。
• 分光的および熱的特性評価を用いて、電子的応答と熱的応答の相関を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VO2の金属絶縁体転移が、表面励起状態を介して近接場放射熱移動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 近接場における熱流量の制御対比が、遠方場におけるものよりも上回る可能性はあるか？
• RQ3 Derjaguin近似が、この系における近接場放射熱移動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 表面極子励起状態が、相転移中に強化される熱移動をどのように媒介しているか？
• RQ5 VO2の温度依存の電子構造が、熱移動のスペクトル的および空間的特性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• VO2の金属絶縁体転移により表面極子励起状態に顕著な変化が生じ、近接場放射熱移動の強力な制御が可能になる。
• 近接場における熱流量対比は、遠方場で観察されるものよりも顕著に大きく、優れた可変性を示す。
• Derjaguin近似は近接場熱移動を正確に予測するが、遠方場の極限をやや低く見積もっている。
• 実験結果は、表面励起状態を活用することで放射熱移動を制御できるという理論的予測を裏付けている。
• 観測された熱移動の制御は、VO2相転移に伴う誘電関数の変化と直接関連している。
• 本研究は、近接場放射熱制御を基盤とする能動的熱管理デバイスに適した材料としてVO2の可能性を確立した。