论文信息：
Cunhai Wang, Hao Bian, Dewei Fan, Pengfei Zhang, Jingchong Liu. Near-field radiative heat transfer between metaterminals composed of SiC plate-supported LiH nanoparticle arrays, International Journal of Heat and Mass Transfer 236 (2025) 126375.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126375
研究背景
近年来，随着材料制造的进步，NFRHT的倏逝模式得到了广泛的研究。特别是，超材料的出现为调制NFRHT提供了很大的可行性。超材料通常是指含有人工亚波长元素的复合结构。它可以通过改变结构元件的形状、周期和排列来实现各种电磁响应。利用有效介质理论可以计算出超材料的介电函数，而超材料的介电函数可以通过体积填充率等宏观结构参数得到很好的控制。因此，超材料表现出良好的光学可调性，并在理论和实验上被报道可以增强NFRHT。除了常见的纳米线和纳米孔外，在衬底上由纳米粒子阵列组成的超表面也因其强大的实际应用潜力而受到广泛关注。通常，多粒子辐射传热模型需要考虑多体相互作用。相反，偶极模型将平面基板支撑纳米颗粒的二维体系视为有效的连续薄膜，简化了元表面之间NFRHT的分析和计算。但到目前为止，关于衬底上纳米颗粒周期性阵列之间的NFRHT的报道一直很有限。
在这项工作中，我们研究了由平面SiC衬底支撑的氢化锂（LiH）纳米颗粒组成的超表面之间的NFRHT。之所以选择LiH纳米颗粒，是因为它们已经在纳米尺度的传热中得到了研究。利用有效介质理论计算了超表面的介电函数。定量计算了超表面间的近场辐射热通量。通过对介质函数和能量传输系数的分析，讨论了磁通调制的物理机制。揭示了纳米粒子半径和晶格常数等结构参数对终端间近场热流的影响。
研究内容
由SiC衬底支撑的周期性LiH纳米颗粒组成的两个平行终端之间的NFRHT示意图如图1所示。LiH纳米粒子的半径为r，它们以晶格常数为a周期性分布在SiC衬底上，并且在两个末端彼此排列。两端真空间隔L，发射极和接收端分别保持在TH = 400 K和TL = 300 K。该模型具有良好的实验可行性，因为LiH纳米颗粒可以通过成熟的技术制备。通过将LiH粒子组装到SiC衬底上，可以直接获得超终端。
不同终端间隙情况下，由SiC平面支撑的LiH纳米颗粒阵列构成的两个超终端之间的近场热流图如图2a所示。用斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算了两个碳化硅板之间的近场热流和两个黑体之间的远场辐射热流。每个粒子的半径和阵列的晶格常数设为r = 100 nm, a = 300 nm。
在辐射热流通量方面，超终端优于碳化硅板，特别是在小真空间隙处。当间隙尺寸为L = 50 nm时，两个LiH/SiC超端之间的热流密度达到9.08 × 104 W/m2，比黑体极限（992.25 W/m2）大两个数量级，是平面SiC终端之间的热流密度（5.29 × 104 W/m2）的1.72倍。随着间隙的增大，由于倏逝波效应减弱，热通量减小。两个LiH/SiC元终端之间的热流密度始终高于平面SiC终端，表明LiH纳米颗粒阵列的增强。为了进一步解释LiH/SiC超终端之间增强的NFRHT，我们在图2b中绘制了LiH纳米颗粒层有效介电函数的实部。
图4a绘制了不同晶格常数a = 200、300和400 nm时，两个100 nm间隙LiH/SiC超终端之间的总热流密度与LiH纳米颗粒半径的关系。两个100 nm间隙的SiC平面端子之间的总热流密度为1.33 × 104 W/m2，并进行了比较。在晶格常数较小的情况下，观察到元端之间的总热流更高，表明在粒子较多的情况下，NFRHT增强。当纳米颗粒半径r = 25 nm时，a = 200、300和400 nm时，超端之间的热流密度分别为0.69、0.46和0.39 × 104 W/m2，均小于两个SiC平面端之间的热流密度。随着LiH纳米颗粒半径的增大，超端间的总热流密度单调增加，在临界半径rc = 45、70和94 nm时，超端间的热流密度分别超过了a = 200、300和400 nm的SiC平面端间的热流密度。在r = 100 nm处，超终端间的热流密度分别达到2.79、2.33和1.54 × 104 W/m2，分别是a = 200、300和400 nm在r = 25 nm时的4.04、5.06和3.95倍。
图6，(a)不同纳米粒子半径r的情况下，热通量与晶格常数a的关系。(b)-(d)固定纳米粒子半径r = 100 nm时，有效LiH粒子阵列层介电函数平行分量和垂直分量的实部。真空间隙固定在L = 100 nm。
在固定的r = 100 nm、L = 100 nm以及不同的粒子半径a = 200、350和500 nm时，两个超终端之间的光谱热通量如图7a所示。可以看出，与其他情况相比，a = 200 nm情况下的峰值明显更强。图7a中三种情况的能量传输系数如图7b、c、d所示。能量传输系数的两个明亮分支收敛的频率与光谱热通量的峰值频率吻合较好。从图7b-d的结果可以看出，当晶格常数从200 nm增加到500 nm时，强能量透射系数对应的频率范围变窄，明亮分支向小波矢量收缩，导致总辐射热流密度减小。
图7，(a)不同晶格常数的LiH/SiC超终端之间的光谱热通量。(b)-(d)分别为a = 200、350、500 nm时的能量透射系数。其他参数固定在r = 100 nm, L = 100 nm。
图8，(a)不同纳米颗粒半径与晶格常数之比情况下的总热通量。(b)固定γ = 3时，r = 23和180 nm情况下的光谱热通量。真空间隙固定为L = 100 nm。
结论与展望
我们研究了由平面SiC衬底支撑的LiH纳米颗粒阵列组成的两个超终端之间的NFRHT。基于偶极模型，认为纳米粒子阵列是支持高通量和低通量的有效介质，可以调节两个终端之间的近场热流密度。在真空间隙(L)为100 nm时，超端之间的近场热流密度是两个平面SiC端之间的近场热流密度的1.72倍。此外，当终端间隙固定时，LiH/SiC超终端之间的NFRHT可以通过LiH纳米粒子的半径(r)和晶格常数(a)进行广泛调节。其中，在固定L = 100 nm和a = 200 nm时，当粒子半径从25 nm增加到100 nm时，超端间的总通量从小于两个SiC平面端间的0.69 × 104 W/m2增加到2.79 × 104 W/m2，超过了两个SiC平面端间的总通量（1.33 × 104 W/m2）。增大点阵常数可使超端介通量由平面端介通量上方降低到平面端介通量下方。当纳米粒子半径与晶格常数之比（γ）一定时，可以通过纳米粒子半径来优化热流密度。本研究揭示了具有不同纳米颗粒半径的超终端间NFRHT的物理机制。
以下为广告部分
招聘信息 | 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收联合培养研究生、科研助理和博士后
点击下图查看详细招聘信息！
