[论文解读] Giant near-field mediated heat flux at the nanometer scale

Konstantin Kloppstech, Nils Könne+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 3

一句话总结

本研究首次对金涂层近场扫描热显微镜（NSThM）探针与平面金样品在纳米尺度间隙（0.2–7 nm）下的近场辐射热流进行了直接、定量测量，结果显示热流比黑体辐射高出五个数量级以上，且比传统涨落电磁理论的预测高出四个数量级。观测到的增强效应无法用现有声子隧穿理论解释，表明在原子尺度真空中隙中需要建立新的热传导模型。

ABSTRACT

In this Letter, we report on quantitative measurements of the absolute near-field mediated heat flux between a gold coated near-field scanning thermal microscope (NSThM) tip and a planar gold sample at nanometer distances of 0.2 nm- 7 nm. We find an extraordinary large heat flux which is more than five orders of magnitude larger than black-body radiation and four orders of magnitude larger than the values predicted by conventional theory of fluctuational electrodynamics. Additionally, we compare our data with different theories of phonon tunneling which might explain a drastically increased heat flux, but are found not to be able to reproduce the distance dependence observed in our experiment. The findings demand modified or even new models of heat transfer across vacuum gaps at nanometer distances.

研究动机与目标

• 直接测量在纳米尺度距离下通过真空间隙的绝对辐射热流，弥合近场与传导热传递之间的理论空白。
• 在极端亚10 nm分离条件下，检验基于涨落电磁理论和声子隧穿的现有理论模型的有效性。
• 解决在原子尺度分离下，从辐射热传递向传导热传递过渡区域中理论预测与实验观测之间的差异。
• 开发一种经过校准的高灵敏度NSThM探针，可实现4 nW的热流测量灵敏度、6 nm的横向分辨率以及24 pW/K的导纳灵敏度。

提出的方法

• 采用自制的近场扫描热显微镜（NSThM），其探针为铂铱丝，表面镀有100 nm金层，并在金-铂界面处自形成热电偶，用于局部热电压检测。
• 通过1ω加热丝法对热电压-热流比（ε = 0.43 µW/µV）进行校准，实现绝对测量，相对不确定度约为14%。
• 在超高真空（10⁻¹⁰ mbar）条件下进行测量，以最小化热噪声和机械噪声，以0.08 nm分辨率逐步接近/回退，绘制间隙依赖的热流分布。
• 采用基于涨落表面电流的有限元边界积分法进行数值建模，几何结构使用Rao-Wilton-Glisson（RWG）基函数离散化，材料响应通过金的德鲁德模型描述。
• 探针在原位完成校准，每方向测量平均100个周期，通过确保压电位移差值在起始与结束时小于50 pm来控制漂移。
• 样品为在云母基底上制备的200 nm金膜，经处理获得单晶金(111)表面，具有原子级平整度和22×√3重构，冷却至120 K，而探针保持在室温（ΔT = 160 K）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.2–7 nm的间隙下，两个金表面之间的辐射热流大小是多少？该区域传统理论已失效。
• RQ2 在亚10 nm间隙下，实测热流与涨落电磁理论及声子隧穿模型的预测值相比如何？
• RQ3 包括引入声子隧穿的现有近场热传递理论，能否再现观测到的热流距离依赖关系？
• RQ4 探针几何形状（圆锥形尖端与球形近似）在近场区域对预测热流的影响程度如何？
• RQ5 在原子尺度真空中隙中，电子波函数重叠与量子效应在增强热传递中起什么作用？

主要发现

• 在0.2 nm间隙下，实测热流比黑体辐射高出五个数量级以上，表明其远超经典预测的超普朗克增强效应。
• 即使在最小测量间隙0.2 nm处，实测热流仍约为传统涨落电磁理论预测值的四倍，远超其预测范围。
• 现有声子隧穿理论（包括Prunnila等人、Mahan、Budaev & Bogy、Sellan等人以及Chiloyan等人提出的理论）均无法再现观测到的热流距离依赖关系。
• 基于涨落表面电流的数值模型与实验结果吻合良好，而简化的点近似模型（PA）则高估了探针顶端的贡献及整体热流。
• 校准方法在绝对热流测量中实现了约14%的相对不确定度，为纳米尺度辐射热传递的可靠量化提供了保障。
• 该探针实现了4 nW的热流灵敏度和24 pW/K的导纳灵敏度（带宽50 Hz），可实现对原子尺度分离下近场效应的探测。