[论文解读] Spectral thermal gaps due to plasmon-phonon mode interaction in bilayer systems

J. E. Pérez-Rodríguez, Giuseppe Pirruccio+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2018

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 40被引用 13

一句话总结

该论文提出一种通过在双层结构中耦合掺杂GaAs中的表面等离激元极化激元与NaBr中的表面声子极化激元，实现近场辐射热传导（NFRHT）中可调谐光谱热隙的机制。界面间等离激元-声子耦合打开一个热能带隙，从而在宽频率范围内抑制热传导，而双层间的带间耦合则允许能量传输；这些机制的主导地位取决于间隙距离和层序，当NaBr位于顶层且间隙约为500 nm时，热传导抑制效果最佳。

ABSTRACT

We present a theoretical study of the modification of the near-field radiative heat transfer due to phonon-plasmon coupling in bilayer systems made of a doped semiconductor and a polar dielectric. By tuning the surface-plasmon mode of the former material in resonance with the phonon modes of the latter one, the near-field spectral radiative heat transfer can be suppressed in a frequency band gap. We distinguish between the interlayer mode coupling within each bilayer and the intragap one between the two bilayers. We elucidate the role of each of them in the formation of the band gap and we determine the distance range at which one mechanism dominates over the other. Furthermore, we show that the surface plasmon polariton of the top-most layer allows optimizing the total heat transfer as a function of the separation of the two bilayers.

研究动机与目标

• 研究掺杂GaAs与NaBr双层系统中等离激元-声子耦合对近场辐射热传导（NFRHT）的影响。
• 识别由于表面等离激元与声子模式杂化而形成光谱热隙的条件。
• 区分界面内耦合（每个双层内）与双层间耦合（双层之间）在形成热能带隙中的作用。
• 确定层序与间隙距离如何影响耦合机制的主导地位及总热传导。

提出的方法

• 基于掺杂GaAs（Drude模型）和NaBr（声子极化激元模型）的介电函数，对两个GaAs/NaBr双层之间通过真空间隙分离的NFRHT进行理论建模。
• 利用涨落-耗散定理与分层系统格林函数形式，计算光谱热通量。
• 分析表面等离激元极化激元（SPP）与表面声子极化激元（SPhP）模式，包括其色散关系与穿透深度。
• 利用GaAs-空气界面处GSPP的穿透深度，解释模式局域化及其与间隙距离的关系。
• 定义归一化热传导参数η_GaAs与η_NaBr，以将双层系统与仅含GaAs的参考系统进行比较。
• 对总热传导Q及其与间隙距离L的依赖关系进行数值评估，重点关注界面内耦合与带间耦合之间的竞争。

实验结果

研究问题

• RQ1 GaAs/NaBr双层结构中的等离激元-声子耦合如何影响近场辐射热传导的光谱分布？
• RQ2 界面内等离激元-声子耦合与双层间耦合对热能带隙形成的相对贡献是什么？
• RQ3 材料顺序（GaAs在上 vs. NaBr在上）如何影响耦合机制的主导地位及总热传导？
• RQ4 从双层间耦合主导向界面内耦合主导的转变发生在何种间隙距离？其决定因素是什么？
• RQ5 能否通过调节掺杂GaAs中的载流子浓度来调控热能带隙？这如何影响热通量的抑制？

主要发现

• 由于表面等离激元极化激元（SPPs）与表面声子极化激元（SPhPs）的杂化，形成光谱热能带隙，从而在宽频率范围内抑制热传导。
• GaAs/NaBr界面处的界面内等离激元-声子耦合是打开热能带隙的主要原因。
• 当间隙距离L < 100 nm时，双层间耦合占主导，GSPP模式高度局域化，使系统对介电层声子模式不敏感。
• 当L ≈ 500 nm时，总热传导相比仅含GaAs的参考系统最多降低30%，表明当NaBr位于顶层时抑制效果最大。
• 当GaAs位于顶层时，热传导随L减小而迅速降低，趋近于仅含GaAs的值，表明金属层主导了传热通道。
• GSPP的穿透深度（δ）决定了模式局域化程度：当L = 50 nm时，δ ≈ 30 nm（δ < d₁ = 50 nm）；当L = 500 nm时，δ ≈ 100 nm（δ > d₁），解释了主导耦合机制的转变。