【摘 要】
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热辐射是物体由于热涨落和量子涨落而发射电磁波的过程。在远场区域,辐射热传输主要是通过电磁波的传播模式来实现的,然而随着两物体之间距离的减小,传播模式的贡献会越来越弱,而倏逝波的贡献逐渐增加。在近场区域(两物体间的距离小于热波长时),物体之间的热辐射主要靠电磁波的的倏逝模式来传输的,它们之间的辐射功率远大于普朗克定律所给出的黑体辐射极限。特别是当材料可以支持表面等离激元、表面声子极化子等一些表面模式
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热辐射是物体由于热涨落和量子涨落而发射电磁波的过程。在远场区域,辐射热传输主要是通过电磁波的传播模式来实现的,然而随着两物体之间距离的减小,传播模式的贡献会越来越弱,而倏逝波的贡献逐渐增加。在近场区域(两物体间的距离小于热波长时),物体之间的热辐射主要靠电磁波的的倏逝模式来传输的,它们之间的辐射功率远大于普朗克定律所给出的黑体辐射极限。特别是当材料可以支持表面等离激元、表面声子极化子等一些表面模式时,它们之间的近场辐射可以得到极大地增强。随着微纳米加工技术的发展,近场辐射热传输在热光伏器件、热辅助磁存储以及热扫描显微镜等技术领域也具有广阔的应用前景,这一研究课题引起了国内外研究人员的广泛关注。作为一种新型二维材料,且由于具有优异的电子学、光学性质,黑磷材料在近年来引起了材料学、物理学等领域研究人员的兴趣,人们也制作了一些基于黑磷的光电子器件。由于黑磷也可以支持表面等离激元,我们很自然地想到研究黑磷以及基于黑磷的微纳结构之间的近场辐射热传输性质,并探讨利用这些性质对黑磷在电子、光电子器件制作中提供理论指导。黑磷带隙的层控、场控、压控等特性为近场辐射热传输的管理和调控提供了很多可能;黑磷的等离激元和双曲等离激元在近场范围的强耦合为增强近场热传输提供了有效的方法。同时构建黑磷的复合结构可以进一步提高近场辐射热传输。本文主要研究内容可归纳如下:第一、从经典阻尼振子模型出发,分析了不同频率时物质和电磁场相互作用时的响应特性;从麦克斯韦方程出发,结合线性响应理论、涨落耗散理论、格林函数方法,推导了平行平面间的辐射热传输关系。第二、研究了黑磷和碳化硅复合结构上表面等离激元的谱分布、色散关系以及与电子掺杂的关系,发现在表面同时存在黑磷支持的表面等离激元以及碳化硅支持的表面声子极化激元,而且随着电子掺杂浓度的增加,混合偏振模式往高频方向移动。在此基础上,分析了黑磷和碳化硅复合结构之间的热传输系数随电子掺杂的变化关系,发现不同方向热传输随电子掺杂的变化关系类似,都是随电子掺杂浓度先增加后减少,但是不同方向辐射热传输系数的最大值是不同。在高掺杂时,x方向的表面等离激元起支配作用,在低掺杂时y方向的表面等离激元起支配作用。同时还分析了黑磷与石墨烯之间的热传输系数随电子掺杂与化学势之间的变化关系。第三、设计了一种基于黑磷条带的双曲型超表面,分析了这个超表面上的等离激元特性。在此基础上计算了固定条带宽度下热传输系数随电子掺杂浓度的变化关系,以及固定电子掺杂浓度时热传输系数随条带宽度的变化关系,发现对于条带更宽的双曲型超表面,黑磷等离激元在低电子掺杂的情况下对热传输起到更重要的作用,而双曲线等离激元在高掺杂情况下对热传输起主要作用。对条带更窄的双曲型超表面,黑磷等离激元对热传输的作用变弱,而双曲型等离激元的作用变得更重要。
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