[논문 리뷰] Spectral thermal gaps due to plasmon-phonon mode interaction in bilayer systems

J. E. Pérez-Rodríguez, Giuseppe Pirruccio외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 26.

Thermal Radiation and Cooling Technologies참고 문헌 40인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 이중층 구조 내에서 도핑된 GaAs의 표면 플라스몬 폴리톤과 NaBr의 표면 진동수 폴리톤 간의 결합을 통해 근접장 복사 열전도에서 조절 가능한 스펙트럼 열역학 갭을 생성하는 메커니즘을 제안한다. 중간층 플라스몬-진동수 간섭은 넓은 주파수 범위에서 열전도를 억제하는 열역학 갭을 열지만, 이중층 간의 내부 갭 간섭은 에너지 흐름을 가능하게 하며, 이러한 메커니즘의 지배력은 갭 거리와 층 순서에 따라 달라지며, NaBr가 위에 있을 경우 약 500 nm 갭 거리에서 최적의 억제가 이루어진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중층 시스템(도핑된 GaAs 및 NaBr)에서의 플라스몬-진동수 간섭이 근접장 복사 열전도(NFRHT)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 표면 플라스몬 모드와 진동수 모드의 하이브리드화로 인해 발생하는 스펙트럼 열역학 갭이 나타나는 조건을 규명하는 것.
• 열역학 갭 형성에 있어 이중층 내부 간섭(내부 갭 간섭)과 이중층 간 간섭(내부 갭 간섭)의 역할을 구분하는 것.
• 층 순서와 갭 간격이 간섭 메커니즘의 지배력과 총 열전도에 미치는 영향을 규명하는 것.

제안 방법

• 진공 갭으로 분리된 두 개의 GaAs/NaBr 이중층 사이의 NFRHT에 대한 이론적 모델링을 수행하였으며, 도핑된 GaAs(드루드 모델)와 NaBr(진동수-폴라리톤 모델)의 유전율 함수를 사용하였다.
• 플럭투에이션-소산 정리와 다층 구조에 대한 그린 함수 기반 형식을 사용하여 스펙트럼 열역학 유량을 계산하였다.
• 표면 플라스몬 폴리톤(SPP) 및 표면 진동수 폴리톤(SPhP) 모드의 분석을 수행하였으며, 이들의 분산관계 및 침투 깊이를 고려하였다.
• GaAs-공기 인터페이스에서의 일반화된 표면 플라스몬 폴리톤(GSPP)의 침투 깊이를 사용하여 모드의 구속성과 갭 간격 의존성에 대해 설명하였다.
• 이중층 시스템을 GaAs 단일층 기준 시스템과 비교하기 위해 정규화된 열전도 파rameter η_GaAs 및 η_NaBr를 정의하였다.
• 총 열전도 Q와 그 갭 거리 L에 대한 의존성을 수치적으로 평가하였으며, 이중층 내부 간섭과 이중층 간 간섭 간의 경쟁에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs/NaBr 이중층에서의 플라스몬-진동수 간섭은 근접장 복사 열전도의 스펙트럼 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 열역학 갭 형성에 있어 이중층 내부 간섭(플라스몬-진동수 간섭)과 이중층 간 간섭 간의 기여도는 각각 어느 정도인가?
• RQ3 재료의 순서(GaAs가 위에 있는 경우 vs. NaBr가 위에 있는 경우)는 간섭 메커니즘의 지배력과 총 열전도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 내부 갭 간섭에서 이중층 내부 간섭으로의 전이가 발생하는 갭 거리는 얼마이며, 이러한 전이의 결정 요인은 무엇인가?
• RQ5 도핑된 GaAs의 실리콘 농도를 조절함으로써 열역학 갭을 조절할 수 있으며, 이는 열유량 억제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표면 플라스몬 폴리톤(SPP)과 표면 진동수 폴리톤(SPhP)의 하이브리드화로 인해 스펙트럼 열역학 갭이 형성되며, 이는 넓은 주파수 범위에서 열전도를 억제한다.
• GaAs/NaBr 인터페이스에서의 이중층 내부 플라스몬-진동수 간섭이 열역학 갭을 여는 데 주로 기여한다.
• L < 100 nm 인 갭 거리에서는 내부 갭 간섭이 지배적이며, GSPP 모드는 매우 강하게 구속되어 유전체 층의 진동수 모드에 민감하지 않다.
• L ≈ 500 nm 일 때 총 열전도는 GaAs 단일층 기준값 대비 최대 30% 감소하며, 이는 NaBr가 위에 있을 경우 최대 억제 효과를 나타낸다.
• GaAs가 위에 있을 경우, L 감소에 따라 열전도는 급격히 감소하여 GaAs 단일층 값에 가까워지며, 이는 금속 층이 열전도 채널을 지배함을 시사한다.
• GSPP의 침투 깊이(δ)는 모드의 구속성을 결정한다: L = 50 nm 일 때 δ ≈ 30 nm (δ < d₁ = 50 nm), L = 500 nm 일 때 δ ≈ 100 nm (δ > d₁)이며, 이는 간섭 메커니즘의 전이를 설명한다.