[论文解读] Near-field thermal radiation transfer controlled by plasmons in graphene

Ognjen Ilic, Marinko Jablan+4 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 6, 2012

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 15

一句话总结

本文展示了石墨烯中的等离激元极化子可显著增强两片石墨烯片之间的近场热辐射传输，在20 nm间距下，热传输速率最高可达远场Stefan-Boltzmann极限的1,000倍。通过匹配掺杂实现的等离激元共振耦合，可实现可调谐、数量级增强的热传输，从而实现可控的热开关，并构建一种新型石墨烯基热电/热光伏能量转换平台。

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.

研究动机与目标

• 研究石墨烯中的等离激元极化子如何介导并增强两片紧密靠近的石墨烯片之间的近场热辐射传输。
• 分析在近红外波段下，热传输对掺杂水平和电子弛豫时间的依赖关系。
• 确定在不同掺杂条件下，介电子跃迁与亚电子跃迁中哪一种在热传输过程中占主导地位。
• 探索石墨烯基系统在实现外部可调谐热开关及混合热电/热光伏能量转换方面的潜力。

提出的方法

• 本研究采用涨落电动力学方法，模拟两片石墨烯片之间通过真空间隙分离的辐射热传输。
• 利用石墨烯的频率和波矢依赖电导率推导出p偏振反射系数，进而计算光谱传输函数。
• 石墨烯的电导率通过Drude型响应描述亚电子跃迁，用自由电子模型描述介电子跃迁，掺杂浓度和弛豫时间为可调参数。
• 通过在所有频率上积分光谱传输函数，并以两温度间的玻尔兹曼因子差加权，计算热传输速率。
• 在不同掺杂水平（μ = 0.1–0.5 eV）、弛豫时间（τ = 10⁻¹³–10⁻¹⁴ s）和间距（D = 10 nm 至 0.1 μm）下进行数值模拟。
• 将结果与远场Stefan-Boltzmann极限比较，以量化增强程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯中的等离激元极化子如何影响两片石墨烯片之间的近场热辐射传输？
• RQ2 亚电子跃迁与介电子跃迁对总热传输的相对贡献如何？
• RQ3 掺杂水平如何影响石墨烯中近场热传输的共振增强？
• RQ4 能否通过外部调控石墨烯的化学势或弛豫时间来调节或开关热传输？
• RQ5 在石墨烯-石墨烯系统中，热传输相对于远场黑体极限的最大可实现增强倍数是多少？

主要发现

• 在20 nm间距和800 K源温条件下，两片石墨烯片之间的近场热传输可比远场Stefan-Boltzmann极限增强高达1,000倍（10³倍）。
• 最大热传输发生在低掺杂（μ = 0.1 eV）且两片石墨烯中的等离激元模式实现共振耦合时。
• 即使在2μ阈值以下，介电子跃迁对热传输也有显著贡献，尤其在低掺杂和有限温度下，这是由于热展宽效应。
• 在低掺杂（μ = 0.1 eV）时，介电子过程主导热传输；而在较高掺杂（μ = 0.3–0.5 eV）时，亚电子过程的贡献更为显著。
• 热传输在温度差存在下仍保持稳健，温度依赖电导率导致的共振增强相对降低较小。
• 该系统表现出比黑体T⁴定律更缓慢的温度依赖性，表明在低温运行中具有优势。