[论文解读] Graphene-based enhancement of near-field radiative-heat-transfer rectification

Landrieux, Simon, Ben-Abdallah, Philippe+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 64被引用 18

一句话总结

本文提出一种基于VO2和SiO2基底的石墨烯增强型近场辐射热整流器，其中在最佳化学势下可调的石墨烯薄片可将100 nm间隙下的整流效率提升高达14%。增强效应源于石墨烯等离子体介导的基底表面模式之间更强的耦合，导致热通量的幂律依赖关系从1/d²转变为1/d，从而在温度反转条件下实现最大不对称性。

ABSTRACT

International audience

研究动机与目标

• 通过石墨烯作为可调谐媒介，提升VO2/SiO2异质结构中的近场辐射热传导（RHT）整流效率。
• 解决因异质材料间表面共振频率不匹配而导致的热整流器效率低下问题。
• 针对不同真空间隙，优化石墨烯的化学势以实现最大整流效率。
• 研究石墨烯等离子体在调控光谱和距离依赖的RHT特性中的作用。
• 阐明整流效率随间隙距离变化呈现非单调行为的物理根源。

提出的方法

• 建立一个由VO2和SiO2基底通过真空间隙分隔的双体系统模型，每个基底表面均覆盖单层石墨烯。
• 采用类似Landauer的辐射热通量分解方法：Φ = ∫₀^∞ dω/(2π) ∆Θ(ω) ∑ₚ ∫ d²k/(2π)² Tₚ(ω,k)，其中Tₚ为透射系数。
• 利用频率和波矢依赖的表面电导率σ(ω)及介电常数ϵm(ω)，计算石墨烯覆盖表面的反射系数。
• 针对每个间隙距离d，优化VO2和SiO2的化学势µVO2和µSiO2，以最大化整流系数η = (ΦF − ΦB)/ΦF。
• 分析光谱热通量Φω和透射系数TTM(ω,k)，识别模式耦合与共振展宽效应。
• 比较ΦF和ΦB随d变化的幂律标度，识别静电区域中从1/d²到1/d行为的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯涂层如何影响基于VO2/SiO2的近场热二极管的整流系数？
• RQ2 石墨烯等离子体在增强VO2与SiO2表面模式之间耦合方面起到何种作用？
• RQ3 为何整流效率随真空间隙距离呈现非单调依赖关系？
• RQ4 热通量的幂律标度（1/d²与1/d）与效率提升之间有何关联？
• RQ5 能否通过调节石墨烯的最优化学势，以在不同分离距离下实现最大整流效率？

主要发现

• 当石墨烯化学势被优化时，100 nm间隙下的整流系数η相比未涂层系统最高可提升14%。
• 该增强主要源于正向热通量ΦF的增加，而反向通量ΦB基本保持不变，其机制为石墨烯等离子体与基底模式之间的共振耦合。
• 光谱分析显示，在石墨烯存在下，正向配置中的共振模式明显展宽且强度增强，尤其在0.8–1.7×10¹⁴ rad/s频率范围内。
• 在最优石墨烯配置下，ΦF的幂律标度从1/d²向1/d的转变发生在约35 nm以下，该转变显著增强了中等距离下的整流效率。
• 随着d减小，η的非单调行为源于ΦF中1/d转变使其在极小间隙下趋近ΦB，尽管绝对通量更高，但不对称性降低。
• 1/d转变的特征距离取决于化学势，较低的µ值会使转变向更小的d移动，但代价是模式失谐。