哈工大齐宏团队: 基于石墨烯增强的三体辐射热二极管整流效应研究

研究背景

全面理解和掌握微尺度空间内的热行为与规律，已经成为传热学向纵深发展的必然。在微尺度下，当换热系统的特征尺寸与热辐射峰值波长相当甚至更小时，辐射换热量可以远超黑体辐射极限多个数量级，此类反常现象被称为“近场热辐射”。近场热辐射不仅可以为微纳器件提供极端换热条件下的热流调控方案，也可有效提升热光伏系统的能量转换效率。

类比电二极管，热二极管具有热流的正向导通、反向不导通或弱导通的热流单向导通功能。近年来，由于相变材料的物理性质对温度的非线性依赖特性，其在近场热辐射调控方面显示出了非凡的优势。二氧化钒（VO₂）作为一种相变材料，已被用于开发近场热辐射二极管。然而，随着真空距离的增加，热辐射二极管的性能明显下降。

▲图 1 三体辐射热二极管原理示意图

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近日，哈尔滨工业大学齐宏教授团队等基于三体光子热隧穿效应和石墨烯表面等离子激元效应，提出了一种有效提升热辐射二极管性能的方法。

该工作在三体光子热隧穿的框架下将石墨烯引入系统，结果显示：石墨烯的加入可以有效提高三体辐射热二极管的整流性能。该系统由三个平行的平板组成，二极管的热端和冷端表面覆盖单层石墨烯，中间平板由二氧化钒制成。在二极管的热端和冷端间距 350nm 时，整流因子可以达到 300%，石墨烯薄膜的加入使得辐射热二极管的整流性能提高 11 倍以上。通过分析光谱热流和能量传输系数，发现石墨烯的表面等离子体激元是热二极管性能提升的主要原因，通过在石墨烯和 VO₂ 之间形成强耦合模式来激发绝缘态 VO₂ 的模式，从而显著增强正向偏置热流。

▲图 2 三体辐射热二极管热整流性能（有/无石墨烯加入）

该研究可为基于热光子的逻辑电路、微尺度热管理技术等提供理论依据。相关成果以“Performance improvement of three-body radiative diodes driven by graphene surface plasmon polaritons”(《基于石墨烯增强的三体辐射热二极管整流效应研究》)为题，发表在英国皇家学会期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 上。

论文信息

Performance improvement of three-body radiative diodes driven by graphene surface plasmon polaritons

Ming-Jian He , Xue Guo, Hong Qi*(齐宏，哈尔滨工业大学), Zhi-Heng Zheng*(郑志恒，上海第二工业大学) , Mauro Antezza , He-Ping Tan

Phys. Chem. Chem. Phys., 2023, 25, 20782-20793

http://doi.org/10.1039/D3CP01912H

作者简介

何明键 助理教授
哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

本文第一作者，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院助理教授，硕士生导师。致力于开展微纳尺度热辐射传输与调控机理、新型高效热光伏器件设计与开发等研究。发表高水平 SCI 期刊论文 30 余篇，在 MATER TODAY PHYS、INT J HEAT MASS TRAN、INT COMMUN HEAT MASS、APPL PHYS LETT、OPT LETT 等知名期刊上发表第一/通讯作者 SCI 论文 16 篇（ESI 高被引论文 1 篇，封面论文 1 篇）。申报发明专利 12 项（授权 5 项）。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金特别资助、黑龙江省自然科学基金联合引导项目、黑龙江省博士后面上项目（一等资助）。获新时代龙江优秀博士学位论文重点项目资助。担任中国计量测试学会多相流测试专业委员会青年委员、《Coatings》期刊客座编辑。

齐宏 教授
哈尔滨工业大学能源科学与工程学院

本文通讯作者，教授、博导，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院副院长，“空天热物理”工信部重点实验室副主任，青年龙江学者，“头雁”计划团队核心成员，哈尔滨工业大学“青年科学家工作室”负责人，青年拔尖人才选聘计划（教授）。主要研究方向：热辐射传输与耦合换热、高温弥散颗粒辐射物性及温度测量、辐射传输逆问题及智能优化算法等。作为负责人获得以下基金资助：国家自然科学面上基金、国家自然科学青年基金、中国民航重点实验室基金、西安航天动力试验技术研究所合作项目、国家自然科学基金重大仪器专项子课题等；作为主要参加者参与国家自然科学基金重点项目、国际合作项目、面上项目等多项科研工作，发表期刊文章 202 篇，其中，SCI 论文 176 篇，ESI 高被引论文 2 篇，封面论文 5 篇，SCI 引用3422次；申报发明专利 49 项，授权 45 项；获软件著作权 24 项；撰写中文专著 2 部、特邀英文专著 4 章。2015 年获国防技术发明二等奖，2015 年获哈工大教学成果一等奖，2017 年获省高等教育教学成果二等奖。

郑志恒 讲师
上海第二工业大学能源与材料学院

本文通讯作者，讲师、硕士生导师，上海第二工业大学能源与材料学院。主要研究方向：近场辐射传热的机理研究及其应用、节能与新能源材料的制备及其应用等。作为负责人获得国家自然科学青年基金、横向项目等多项科研项目；作为参加者参与国家自然科学面上项目、横向项目等多项科研工作，在 International Journal of Heat and Mass Transfer、Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer、Physical Chemistry Chemical Physics、Optical Materials、Materials Letters 等知名期刊上发表期刊文章 20 余篇，SCI 引用 400 余次。