[论文解读] Current-Induced Heat Transfer in Double-Layer Graphene

Jiebin Peng, Jian‐Sheng Wang|arXiv (Cornell University)|May 24, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 6

一句话总结

本文通过涨落电磁理论和非平衡格林函数方法，展示了在双层石墨烯中即使在温度均匀的情况下，也能实现电流驱动的辐射热传递。热流与电流或电压偏置呈二次方关系，且可通过外加电压实现热流方向的反转或抑制，这与石墨烯中的负朗道阻尼有关，为二维系统中的主动热管理提供了新途径。

ABSTRACT

Using the fluctuational electrodynamics and nonequilibrium Green's function methods, we demonstrate the existence of a current-induced heat transfer in double-layer graphene even when the temperatures of the two sheets are the same. The heat flux is quadratically dependent on the current. When temperatures are different, external voltage bias can reverse the direction of heat flow. The drift effect can exist in both macroscopic and nanosized double-layer graphene and extend to any other 2D electron systems. These results pave the way for a different approach to the thermal management through radiation in nonequilibrium systems.

研究动机与目标

• 研究电子漂移引起的非平衡条件下双层石墨烯中的辐射热传递（RHT）
• 确定当两层温度相同时，电流是否仍能诱导热传递
• 探讨电压偏置在控制非平衡石墨烯系统中热流方向和大小方面的作用
• 建立漂移诱导效应在宏观和纳米尺度二维电子系统中的普适性

提出的方法

• 使用涨落电磁理论（FE）建模系统，采用多普勒频移的玻色分布函数以考虑单层石墨烯中电子漂移的影响
• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式化方法计算电流和热流，将具有漂移速度的极化函数纳入其中
• 采用弛豫时间近似描述漂移诱导的分布，其类似于光子统计中的化学势移动
• 在非延迟极限下推导p-偏振倏逝模的透射系数，反射系数由漂移速度修正
• 在卡梅隆形式中对电流算符进行图解展开，利用狄亚森方程恒等式将10个自能图简化为两个
• 通过傅里叶变换将时域表达式转换为频域，以获得最终的热流公式

实验结果

研究问题

• RQ1 当双层石墨烯两层温度相同时，能否通过电流诱导辐射热传递？
• RQ2 在非平衡石墨烯系统中，热流的大小和方向如何依赖于施加的电流或电压偏置？
• RQ3 外加电压偏置能否反转或抑制双层石墨烯中由温度差驱动的热流？
• RQ4 在二维系统（如石墨烯）中，电流驱动热传递的潜在物理机制是什么？
• RQ5 漂移诱导的热传递效应是否具有普适性，可在宏观和纳米尺度的二维电子系统中观测到？

主要发现

• 即使在温度相同的情况下，双层石墨烯中仍存在电流驱动的热流，证明了无热梯度下的非平衡辐射热传递
• 热流与漂移速度或施加电压偏置呈二次方关系，表明对电流注入具有非线性响应
• 外加电压偏置可反转热流方向，实现对热输运的主动调控
• 通过调节电压偏置可将热流抑制至零，表明热辐射可实现完全可控
• 该效应归因于石墨烯中的负朗道阻尼，这是实现该现象的关键电子特性
• 该机制具有普适性，可推广至其他二维电子系统，不限于宏观或纳米尺度石墨烯