多层石墨烯/真空/α-MoO₃/真空异质结构间近场辐射传热的激元耦合

研究背景

由于倏逝波耦合产生的光子隧穿效应，近场辐射换热可以超出黑体辐射极限几个数量级，在热管理、能源利用和信息传递等领域有重要应用。

双曲材料因其各向异性及声子激元的复杂性，与二维等离激元材料结合后，双曲声子激元与表面等离激元的杂化效应将更为复杂，产生极为丰富的近场辐射换热现象。以往研究表明，在多层结构中加入真空层可以有效增强近场辐射传热。

然而，真空层对双曲/二维材料耦合系统间近场辐射换热的影响却很少被讨论，其潜在的激元杂化现象和物理机制有待研究。

论文详情

近日，山东高等技术研究院吴小虎教授与苏州大学蔡琦琳教授合作，以周期性石墨烯/真空层/α-MoO₃/真空层单元结构为平台，揭示了该异质结构间近场辐射传热中的激元杂化现象。

该工作研究表明，当真空间隙较小时（d₀< 50 nm），在石墨烯/α-MoO₃ 周期性异质结构中加入真空层会抑制近场辐射换热，而当真空间隙较大时，真空层则会增强近场辐射换热。上述现象可以归因于表面等离激元和双曲声子激元的耦合情况不同。此外，进一步分析和讨论了石墨烯化学势、真空层厚度和 α-MoO₃ 层厚度对耦合激元以及近场辐射换热作用和影响规律。

这项研究为深入理解激元杂化现象对双曲材料/二维等离激元材料耦合系统间近场辐射换热的影响提供了新的见解。相关成果以“Coupling polaritons on near-field radiative heat transfer between multilayer graphene/vacuum/α-MoO₃/vacuum heterostructures”(《多层石墨烯/真空/α-MoO₃/真空异质结构间近场辐射传热的激元耦合》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 上。

论文信息

Coupling polaritons on near-field radiative heat transfer between multilayer graphene/vacuum/α-MoO₃/vacuum heterostructures

Jihong Zhang, Xiaohu Wu*, Yang Hu, Bing Yang, Haotuo Liu, and Qilin Cai*（吴小虎，山东高等技术研究院；蔡琦琳，苏州大学）

Phys. Chem. Chem. Phys., 2024
http://doi.org/10.1039/D3CP03491G

通讯作者

吴小虎 研究员
山东高等技术研究院

本文通讯作者，吴小虎，1992 年生，山东高等技术研究院研究员，山东省优青，山东省泰山学者青年专家。2019 年博士毕业于北京大学（佐治亚理工学院联合培养），荣获北京市优秀毕业生、北京大学优秀毕业生。主要从事辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域的研究，以第一或通讯作者在 Optica，Renewable Energy、ACS Photonics、Nanophotonics、Nanoscale、Solar Energy 等 SCI 期刊发表论文 100 余篇，其中封面论文 3 篇，入选美国斯坦福大学发布的“全球前 2% 顶尖科学家（2023）”榜单。其博士论文被评为北京大学优秀博士论文，并被 Springer 出版社全英文出版。其双曲材料的工作入选美国光学学会 2020 年度全球 30 项光学进展“Optics in 2020”。同时获得多项荣誉，包括国际传热传质中心Hartnett-Irvine Award（2019）、中国新锐科技人物突出成就奖（2020）、福布斯中国 30 位 30 岁以下科技精英（2021）、中国新锐科技人物创新贡献奖（2022）、济南市历城区十大杰出青年（2022）、济南市青年创新先锋（2022）、济南榜样（2022）、山东省省直机关优秀共产党员（2023）、影响济南科技人物（2023）、济南市优秀自然科学学术成果一等奖（2023）。主持国家和山东省科研项目 4 项。获授权发明专利 1 项，软件著作权 5 项。担任《Clean Energy Science and Technology》编委，《Energy Storage and Saving》，《SmartMat》，《应用光学》，《东北电力大学学报》等期刊的青年编委。创办“热辐射与微纳光子学”微信公众号，并举办“热辐射研究生研讨会”，致力于学术分享与传播。

蔡琦琳
苏州大学

本文通讯作者，蔡琦琳，2018 年博士毕业于中国科学技术大学，同年 9 月入职苏州大学，主要以能源高效利用为背景，在近场热光伏系统机理、耐高温光谱选择性热辐射器、工业设备能效监测与评估等方面开展前沿的基础和应用研究。近年来，以第一或通讯作者在 Renewable Energy、International Journal of Heat and Mass Transfer、Energy、Applied Thermal Engineering 和 Solar Energy Materials & Solar Cells 等国内外学术期刊上发表学术论文 20 余篇，其中 1 篇论文获得苏州市自然科学优秀学术论文三等奖。主持国家自然科学基金青年项目 1 项、省部级和市厅级科研项目各 1 项，横向科研课题 3 项，授权发明专利 2 项，实用新型专利 2 项，并于 2020 年和 2021 年先后获得江苏省能源研究会能源科技创新奖— 能源科学技术进步奖一等奖（排名 2/7）和三等奖（1/8）。目前，担任《Carbon Neutrality》期刊的青年编委，以及 Applied Thermal Engineering、Scientific Reports、ACS: Applied Nano Materials 等期刊的审稿人。