近场热辐射理论上可以突破普朗克黑体辐射极限,在微纳尺度间实现很高的热传递效率,如何利用表面等离激元或人工结构来增强近场热辐射效率以及近场热辐射的大面积精确测量,是当前热辐射领域的重要研究内容,基于近场热辐射的热光伏器件是一种极具应用前景的热电转换器件。双曲型超材料由于其双曲特性和高表面态密度,支持自由空间中的倏逝波光子在其内部的传播,可以有效增强辐射功率。本文主要从理论计算、实验测量以及器件应用三个方面探究了纳米线阵列双曲超材料在近场热辐射中的应用。给出了掺杂硅纳米线阵列、硅/锗多层膜双曲结构的近场热辐射的理论计算,并对掺杂硅纳米线阵列的近场热辐射进行实验测量,验证了在近场热辐射系统中高维超材料结构的特性由均质化方法描述的有效性;并首次提出基于W纳米线-InSb材料p-i-n径向芯壳纳米线阵列的近场热光伏器件,获得显著提高的热电功率和能量转换效率。具体工作如下:第一,理论计算了双曲超材料的近场辐射热流以及它的相关调控参数,为硅纳米线双曲超材料的近场热辐射实验测量提供了理论依据。在计算半无限大平板结构间的近场热辐射能量时,一般使用基于波动电动力学和并矢格林函数方法。利用该方法,使用高掺杂硅的Drude模型,结合等效介质理论,计算硅纳米线双曲超材料的透射几率和近场热辐射流,并给出填充率、硅纳米线高度以及近场间隙等结构参数与辐射热流的关系;此外也计算了硅/锗多层膜双曲超材料的近场辐射热流。结果发现这两种双曲超材料与硅板结构相比,透射几率和辐射热流均有较大提高,表明了双曲超材料对近场热辐射效率具有显著增强作用。第二,实验测量了高掺杂硅双曲超材料的近场辐射热流。在近场热辐射系统中,为了描述光-物质间的相互作用,从根本上需要测量具有可控损耗的高质量、大尺寸的样品间的近场热辐射。使用自组装PS小球模板制备硅纳米线阵列,接着使用参与搭建的课题组磁致吸合的实验装置对其进行近场和远场热辐射流的测量,样品面积为2×2 cm2,间隙为500nm,两端温差为32 K,测量结果与理论结果相符合,近场下辐射热流可达830 W/m2,与远场相比有4.7倍的显著提高,这验证了在近场热辐射系统中使用等效介质理论(均质化方法)描述硅纳米线双曲超材料介电常数的有效性,也表明了硅纳米线双曲超材料对近场热辐射的显著提升作用。第三,理论计算双曲超材料对近场热光伏器件热电功率和能量转换效率等性能的提升作用。目前的近场热光伏器件的接收器以Ⅲ-Ⅴ族半导体p-i-n层状光伏电池为主,而p-i-n径向芯壳纳米线结构由于其较大的p-n结面积从而对电流密度有较大贡献,目前还没有对这种类型的热光伏器件的探索。以W纳米线阵列为辐射器,以InSb半导体p-i-n径向芯壳纳米线阵列作为光伏接收器,仿真发现基于该结构的近场热光伏器件,在500 K低温热源、50 nm间隙的条件下,相比以W为辐射器、以InSb材料p-i-n层状结构为接收器的器件,其热电功率和能量转换效率分别提高了 8.5倍和4.5倍,功率可达1340 Wm-2,效率可达35.7%。这表明了由于双曲超材料的高表面态密度和p-i-n芯壳纳米线p-n结区的大面积特性,近场热光伏器件的热流与能量利用率显著增强。最后,总结双曲超材料在近场热辐射系统应用中的理论计算、实验探究以及在近场热光伏系统中的应用,并对其进行展望。