[论文解读] Tuning near field radiative heat flux through surface excitations with a metal insulator transition

P. J. van Zwol, L. Ranno+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2012

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 2被引用 12

一句话总结

本研究通过实验展示了，利用二氧化钒（VO2）在金属-绝缘体转变过程中调节近场辐射热流，可显著调制通过表面激发实现的热传递。相变改变了表面极化激元态，导致热流对比度超过远场情况，且尽管低估了远场极限，德亚吉林近似仍能准确预测近场传热。

ABSTRACT

The control of heat flow is a formidable challenge due to lack of good thermal insulators. Promising new oppor-tunities for heat flow control were recently theoretically discovered for radiative heat flow in near field, where large heat flow contrasts may be achieved by tuning electronic excitations on surfaces. Here we show experi-mentally that the phase transition of VO2 entails a change of surface polariton states that significantly affects radiative heat transfer in near field. In all cases the Derjaguin approximation correctly predicted radiative heat transfer in near field, but it underestimated the farfield limit. Our results indicate that heat flow contrasts can be realized in near field that can be larger than those obtained in farfield.

研究动机与目标

• 研究VO2相变如何影响近场辐射热传递。
• 探讨表面激发（特别是表面极化激元）在调制热流中的作用。
• 确定近场热流对比度是否可超过远场。
• 验证德亚吉林近似在可调材料背景下对近场辐射传热的适用性。

提出的方法

• 测量VO2涂层基底与探针之间真空间隙的近场辐射热传递。
• 利用VO2中的金属-绝缘体转变动态调节表面极化激元态。
• 采用德亚吉林近似建立模型，并将理论预测与实验数据进行比较。
• 分析温度跨越VO2相变时热流的变化。
• 比较近场与远场热传递极限，评估调制对比度。
• 结合光谱与热表征手段，关联电子响应与热响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 VO2的金属-绝缘体转变如何通过表面激发影响近场辐射热流？
• RQ2 近场热流调制是否可超过远场可实现的调制范围？
• RQ3 德亚吉林近似在该系统中对近场辐射传热的预测准确度如何？
• RQ4 表面极化激元在相变期间增强热传递中起什么作用？
• RQ5 VO2的温度依赖电子结构如何影响热传递的光谱与空间特性？

主要发现

• VO2的金属-绝缘体转变引起表面极化激元态的显著变化，导致近场辐射热流强烈调制。
• 近场热流对比度超过远场观察到的对比度，表明具有更优的可调性。
• 德亚吉林近似能准确预测近场热传递，但低估了远场极限。
• 实验结果证实了理论预测：表面激发可被用于控制辐射热流。
• 观测到的热流调制与VO2相变过程中介电响应的变化直接相关。
• 本研究确立了VO2作为基于近场辐射调控的主动热管理器件的有前途材料。