[논문 리뷰] Near-field thermal radiation transfer controlled by plasmons in graphene

Ognjen Ilic, Marinko Jablan외 4명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2012. 01. 06.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 20 nm 간격에서 두 그래핀 시트 사이의 근접장 열복사 전달이 그래핀 내 플라스몬-폴라리톤으로 인해 최대 1,000배(10³) 향상됨을 보여주며, 이는 원거리장 스테판-볼츠만 한계를 뛰어넘는다. 일치하는 도핑 조건을 통한 플라스몬의 공진 결합은 조절 가능한, 수십 개의 순서수준 향상된 열전달을 가능하게 하여 제어 가능한 열스위치와 새로운 그래핀 기반 열광발전/열전기 에너지 변환 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 두 밀접하게 배치된 그래핀 시트 사이의 근접장 열복사 전달이 그래핀 내 플라스몬-폴라리톤에 의해 어떻게 매개되고 향상되는지 조사하기.
• 근적외선 영역에서 도핑 농도와 전자 회복 시간이 열전달에 미치는 영향 분석하기.
• 다양한 도핑 조건에서 열전달 과정에서 비대칭 전자 전이 또는 내대칭 전자 전이 중 어느 것이 주로 지배하는지 규명하기.
• 그래핀 기반 시스템이 외부 제어를 통해 조절 가능한 열스위치 및 하이브리드 열전기/열광발전 에너지 변환을 가능하게 할 잠재력 탐색하기.

제안 방법

• 두 그래핀 시트 사이의 복사 열전달을 모델링하기 위해 변동 전자역학을 활용한다. 두 시트 사이에는 진공 간극이 존재한다.
• 스펙트럼 전달 함수는 주로 파장 및 波수 의존성 전도도에서 유도된 그래핀의 p-편광 반사 계수를 사용하여 계산된다.
• 그래핀의 전도도는 내대칭 전이에 대해 드루드 유사 반응 모델을, 비대칭 전이에 대해 자유 전자 모델을 사용하여 모델링되며, 도핑 농도와 회복 시간을 조절 가능한 매개변수로 설정한다.
• 열전달 속도는 모든 주파수에 걸쳐 스펙트럼 전달 함수를 통합하여 계산되며, 두 온도 간의 보울츠만 인자 차이에 의해 가중된다.
• 수치 시뮬레이션은 도핑 농도(μ = 0.1–0.5 eV), 회복 시간(τ = 10⁻¹³–10⁻¹⁴ s), 그리고 간격(D = 10 nm에서 0.1 μm)을 다양하게 설정하여 수행된다.
• 향상 정도를 정량화하기 위해 결과는 원거리장 스테판-볼츠만 한계와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 내 플라스몬-폴라리톤은 두 그래핀 시트 사이의 근접장 열복사 전달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 내대칭 전이와 비대칭 전이 중 열전달에 기여하는 상대적 기여도는 어떠한가?
• RQ3 도핑 농도는 그래핀 내 근접장 열전달의 공진 향상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 그래핀의 화학적 위치 에너지 또는 회복 시간을 외부적으로 제어함으로써 열전달을 조절하거나 케이스/오프로 제어할 수 있는가?
• RQ5 그래핀-그래핀 시스템에서 원거리장 블랙바디 한계를 초월해 달성 가능한 최대 열전달 향상 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 20 nm 간격과 800 K의 소스 온도에서 두 그래핀 시트 사이의 근접장 열전달은 원거리장 스테판-볼츠만 한계를 최대 1,000배(10³) 초월한다.
• 최대 열전달은 낮은 도핑(μ = 0.1 eV) 조건에서 발생하며, 두 그래핀 시트의 플라스몬 모드가 공진적으로 결합된 경우에 최적화된다.
• 열적 넓이 효과로 인해, 특히 낮은 도핑 및 유한한 온도 조건에서 2μ 이하에서도 비대칭 전이가 열전달에 상당한 기여를 한다.
• 낮은 도핑(μ = 0.1 eV) 조건에서는 비대칭 전이 과정이 열전달을 지배하지만, 더 높은 도핑(μ = 0.3–0.5 eV) 조건에서는 내대칭 전이 과정이 더 중요한 기여를 한다.
• 온도 차가 존재하는 조건에서도 열전달은 뚜렷한 저항성을 보이며, 전도도의 온도 의존성으로 인한 공진 향상 감소율은 작다.
• 블랙바디의 T⁴ 법칙보다 온도 의존성이 둔하므로, 저온 작동 조건에서의 이점이 있다.