Home各向异性纳米粒子间的近场辐射换热
Release date: 2023-11-15
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Source: 传热传质青委会
粒子辐射是热辐射领域的重要研究方向之一。当两个纳米粒子间距小于或等于热特征波长时，由于局域激元共振耦合，辐射换热被显著增强。纳米粒子近场辐射换热在能源利用等领域具有重要意义，近年来受到人们的广泛关注。各向异性材料由于具有与晶轴方向密切相关的特殊性质，表现出高度的各向异性光学特征。相比于各向同性粒子，各向异性粒子具有更加丰富的物理现象，并且在近场辐射增强和调制领域具有较大潜力。在各向异性粒子间近场辐射换热的研究中，如何利用各向异性激元的耦合与失配，以及多体相互作用对辐射换热进行增强/调控是亟需解决的关键问题。
研究背景
粒子辐射是热辐射领域的重要研究方向之一。当两个纳米粒子间距小于或等于热特征波长时，由于局域激元共振耦合，辐射换热被显著增强。纳米粒子近场辐射换热在能源利用等领域具有重要意义，近年来受到人们的广泛关注。各向异性材料由于具有与晶轴方向密切相关的特殊性质，表现出高度的各向异性光学特征。相比于各向同性粒子，各向异性粒子具有更加丰富的物理现象，并且在近场辐射增强和调制领域具有较大潜力。在各向异性粒子间近场辐射换热的研究中，如何利用各向异性激元的耦合与失配，以及多体相互作用对辐射换热进行增强/调控是亟需解决的关键问题。
研究成果
1. 通过旋转双曲纳米粒子调控近场辐射换热
近年来，人们对于调控近场辐射换热做了大量研究，但是对于调控各向异性纳米粒子之间的辐射换热研究较少。与各向同性纳米粒子相比，各向异性纳米粒子具有更高的自由度，在改善多体纳米粒子系统间近场辐射换热方面具有更大的潜力。课题组研究了旋转调控各向异性的hBN和α-MoO3纳米粒子间的近场辐射换热，计算了不同粒子朝向时的光谱热流、总热流和电场能量密度。数值结果表明，当粒子半径为40纳米，粒子间距为200纳米时，α-MoO3纳米粒子辐射换热的调制系数可达12,000，超出现有技术水平的10倍。此优良的调制效果归因于局域双曲声子激元在不同晶轴朝向上的激发。这项工作有助于在粒子系统中设计高性能近场热辐射调制器。
2. 利用各向异性双曲激元增强和调制三体近场辐射换热
研究表明，第三个物体的加入会改变原两体纳米粒子系统中的热激发，涨落电磁场及能量密度分布。此外，由于多体作用的存在，两体纳米粒子系统间近场辐射换热会受到显著影响。课题组以α-MoO3为例，实现了三体纳米粒子系统中近场辐射换热的有效调制。结果表明，在两个纳米粒子之间加入第三个纳米粒子可以使其间的近场辐射热导极大增强。这种增强效果可以通过旋转中间纳米粒子进行调制，并可以用各向异性局域双曲激元的耦合和失配来解释。此外，课题组还讨论了粒子间距和垂直位移对近场辐射热导的影响。值得一提的是，当粒子间距和垂直位移分别为半径的4倍和1.2倍时，调制系数可达四个数量级。该工作证明了各向异性双曲激元在多体系统中调制近场辐射换热的潜力。
3. 各向异性双曲激元驱动的近场辐射调制器
近场辐射调制器是一种新型的热管理器件，能够在纳米尺度上有效地调节辐射传热，近年来成为研究热点。在这项工作中，研究发现由α-MoO3基底介导的两个α-MoO3纳米粒子之间的近场辐射换热明显取决于α-MoO3基底的晶轴朝向，可以通过对基底的机械旋转实现近场辐射换热的有效调节。课题组分别分析了真空、散射和交叉项格林函数在各向异性纳米粒子影响下的贡献，以揭示其机理。此外，课题组还研究了基底旋转角和厚度对近场辐射换热调制的影响。当基底厚度为500纳米时，最大调制对比度可以达到60。这项工作将指导基于各向异性多体系统的高性能热辐射调制器的设计。
4. 外尔半金属纳米粒子之间的负微分热导现象
负微分热导现象最早在负微分热阻中被发现，随后被扩展到辐射领域，具有广泛的应用前景。课题组研究了两个外尔半金属纳米粒子之间的近场辐射换热。数值结果表明，当发射体的温度一定时，热流不随接收器温度单调变化，表现出负微分热导现象。导致负微分热导现象的关键因素是外尔半金属的介电常数会随温度变化。文章通过分析不同温度下粒子极化率的耦合情况，揭示了负微分热导现象的物理机制，阐明了局域等离模式和局域圆模式对负微分热导现象的影响。并且由于局域等离激元的激发，粒子间的辐射热流可以被显著增强。这项工作对调节近场辐射换热具有重要意义，在热记忆、热计算和热管理等方面具有潜在的应用。
5. 基于外尔半金属的高性能近场热二极管
热二极管允许热流在优先方向上传递，而在相反方向上被阻挡，在热管理、信息处理、能量收集等方面有许多应用。课题组提出了一种新型的近场辐射热二极管，该二极管由外尔半金属平板介导的两个外尔半金属纳米粒子构成。数值结果表明，当发射器为200 K，接收器为180 K时，近场辐射热二极管的最大整流比可以达到2673，优于先前的工作。潜在的物理机制是纳米粒子中的局域等离激元与基底中的非互易表面等离激元之间的强耦合。此外，课题组研究了真空、散射和交叉项格林函数的贡献，以探索高整流比的内在机制。为了揭示系统中的非互易能量传输，课题组还计算了格林函数和反射系数的分布。最后，课题组研究了温度和外尔节点的动量分离对近场辐射热二极管整流性能的影响。这项工作将有助于高性能近场辐射热二极管设计，并促进外尔半金属在热整流中的应用。
总结与展望
该系列成果围绕各向异性材料（双曲材料和外尔半金属），对纳米粒子系统以及平板介导纳米粒子多体系统近场辐射换热开展了深入研究。相关研究构建了基于粒子朝向的辐射换热调控模型；实现了粒子系统中高调制对比度的旋转调控；揭示了局域双曲声子激元与体态双曲声子激元的耦合情况；发现了各向异性纳米粒子中的负微分热导现象；设计了高整流系数的辐射热二极管。该系列成果为近场热光伏系统热电转换性能的提升提供可靠的途径。
论文信息
1. Y. Hu, Y. S. Sun, Z. H. Zheng, J. L. Song, K. Z. Shi, and X. H. Wu, Rotation-induced significant modulation of near-field radiative heat transfer between hyperbolic nanoparticles, International Journal of Heat and Mass Transfer 189, 122666 (2022).
2. H. T. Liu, K. Z. Shi, K. Zhou, Q. Ai, M. Xie, and X. H. Wu, Enhancement and modulation of three-body near-field radiative heat transfer via anisotropic hyperbolic polaritons, International Journal of Heat and Mass Transfer 208, 124081 (2023).
3. Y. Hu, B. Y. Wu, H. T. Liu, B. Yang, D. R. Zhang, Y. S. Sun, and X. H. Wu, Near-field radiative modulator driven by anisotropic hyperbolic polaritons in biaxial hyperbolic materials, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 296, 108468 (2023).
4. Y. S. Sun, Y. Hu, K. Z. Shi, J. H. Zhang, D. D. Feng, and X. H. Wu Negative differential thermal conductance between Weyl semimetals nanoparticles through vacuum, Physica Scripta 97, 095506 (2022).
5. Y. Hu, H. T. Liu, B. Yang, K. Z. Shi, M. Antezza, X. H. Wu, and Y. S. Sun, High-rectification near-field radiative thermal diode using Weyl semimetals, Physical Review Materials 7, 035201 (2023).
