[论文解读] Photon Tunneling Reconstitution in Black Phosphorus/hBN Heterostructure

Cheng-Long Zhou Yong Zhang Zahra Torbatian Dino Novko Mauro Antezza Hong-Liang Yi|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2022

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用 8

一句话总结

本研究证明，黑磷（BP）与六方氮化硼（hBN）异质结构可通过各向异性的杂化极化子模式实现卓越的近场热辐射。该系统由于极化子的拓扑重构而表现出增强的光子隧穿效应，性能优于单一组分及其他异质结构，且通过调控hBN厚度可实现可调谐的辐射特性。

ABSTRACT

Excitation of hybrid modes constituted by different material-supported polaritons is a common way to enhance the near-field radiative energy transport, which has fascinating promise in applications of thermal photonics. Here, we investigate near-field thermal radiation mechanisms in heterostructure composed of hBN film and black phosphorus single layer. The results show that this heterostructured system can give rise to a remarkable enhancement for photon tunneling, outperforming the near-field thermal radiation properties of its building blocks, as well as some other representative heterostructures. Moreover, we find that the anisotropic hybrid effect can induce a remarkable topological reconstitution of polaritons for hBN film and black phosphorus, forming a novel anisotropic hybrid polaritons. Notably, such hybrid modes show significant topological differences compared to hBN film and black phosphorus in the type-I Reststrahlen band due to the anisotropic anticrossing hybridization effect. Lastly, we systematically analyze the evolution of such hybrid polariton modes as a function of hBN film thickness and the corresponding influence on radiative properties of the heterostructure. This work may benefit the applications of near-field energy harvesting and radiative cooling based on hybrid polaritons in anisotropic two-dimensional material and hyperbolic film.

研究动机与目标

• 研究黑磷/六方氮化硼异质结构中的近场热辐射增强效应。
• 理解各向异性耦合在重构极化子模式中的作用。
• 分析hBN厚度对杂化极化子形成及辐射特性的影响。
• 识别光子隧穿超越组成材料及其他基准异质结构的条件。

提出的方法

• 利用电磁理论对BP/hBN异质结构中的近场辐射能量传递进行数值模拟。
• 通过色散关系计算与能带结构制图分析杂化极化子模式。
• 采用各向异性反交叉模型描述hBN声子极化子与BP等离子体极化子之间的耦合。
• 系统性地改变hBN薄膜厚度，研究其对模式杂化及能量传递效率的影响。
• 将辐射热流与纯hBN和BP系统，以及其他代表性异质结构进行比较。
• 通过群和能带反转分析，对杂化模式进行拓扑表征，聚焦于Reststrahlen带。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑磷与hBN之间的耦合如何改变极化子模式的色散关系与拓扑特性？
• RQ2 与各自组分相比，BP/hBN异质结构在近场热辐射增强方面达到何种程度？
• RQ3 hBN层厚度如何影响杂化极化子的形成及其特性？
• RQ4 在I型Reststrahlen带中，与未耦合系统相比，杂化极化子模式的拓扑差异是什么？
• RQ5 能否利用黑磷的各向异性特性，实现可调谐且增强的光子隧穿？

主要发现

• BP/hBN异质结构表现出显著增强的光子隧穿效应，优于单一材料及其他代表性异质结构。
• 各向异性反交叉杂化导致极化子发生拓扑重构，形成与孤立hBN或BP中不同的新型杂化模式。
• 由于强各向异性耦合，杂化极化子模式在I型Reststrahlen带中表现出显著的拓扑差异。
• 通过调节hBN薄膜厚度，异质结构中的辐射热流具有高度可调性，特定厚度下观察到最优增强效果。
• 该系统支持各向异性能量输运，近场辐射具有方向依赖性，源于黑磷的本征各向异性。
• 杂化模式具有鲁棒性并表现出强耦合效率，为热光子学与能量收集应用提供了潜在前景。