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论文信息：
Chunyang Wang,Xiao Yang,Yanan Shen,Haibo Zhao,Yang Bai,Haisheng Chen,Ting Zhang,Xinghua Zheng . A study on an experimental method for near-field radiative heat transfer between parallel plates with fixed gap, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 236, Part 2, January 2025, 126329
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126329
提高能源利用效率是实现能源可持续发展的关键问题。随着微纳加工技术的飞速发展，电子元件特别是微器件的应用越来越广泛。然而，散热和热管理的挑战严重影响了这些微型器件的性能。目前，微器件的散热和热管理方法有热电冷却、相变复合材料、辐射冷却等。其中，辐射冷却以其零能耗、零排放的优势，与绿色能源的可持续发展战略高度契合，近年来受到越来越多的关注。当物体间的辐射换热距离小于热辐射的特征波长时，倏逝波的近场光子隧穿效应和表面极化子的作用使辐射热通量超过普朗克定律的极限，导致远场热辐射的辐射热通量远大于远场热辐射。因此，微纳尺度的近场热辐射对于微器件的散热具有重要的潜力。在过去的几十年里，研究人员对近场热辐射进行了大量的研究，以增强传热。尽管微纳加工技术发展迅速，但近场辐射换热实验仍面临诸多挑战。大多数报道的研究集中在平行板结构上，并且仅限于理论研究。与理论研究相比，近场热辐射的实验研究需要在真空环境下进行，并且必须在微纳尺度上进行测量，这对实验条件要求严格。此外，实验结果在测量过程中可能出现小的波动。因此，在实验中有效地构建和测量近场热辐射仍然是该领域的重大研究挑战。本文主要研究了固定间隙和输入电压对电极温度的影响，以及所提出的近场热辐射模型的可行性和准确性。所得结果为微器件固定间隙平行板间近场热辐射系统的设计提供了可靠的理论指导。
基于固定间隙平板结构的双螺旋金属丝电极物理模型如图1(a)所示。该模型包括双螺旋金属丝电极、采用低导热分离介质的上板和底板。双螺旋线电极的厚度为245 nm，宽度为60 μm。上底板尺寸为10mm × 10mm，厚度为500 μm。为了减少热传导对近场热辐射的影响，选用导热系数低的二氧化硅作为双螺旋线电极的基材和分离介质（硅柱），分离结构尺寸为2mm × 2mm。此外，还进行了热流密度的模拟，分析了热流密度通过分离介质从上板到底板的传递情况。非晶二氧化硅板边缘区域的温度明显低于板中心区域（热源区）的温度，表明通过硅柱的换热相对于近场辐射换热是有限的。因此，通过硅柱的传导对近场辐射换热计算结果的影响很小。此外，双螺旋线电极是由镍制成的，而两种不同的材料，非晶二氧化硅和碳化硅，被认为是底板。为了更好地比较不同固定间隙和输入功率对双螺旋线电极温度的影响，将底部介质板的温度固定在293.15 K，该温度等于实验过程中样品载体的温度。所有其他的表面都是绝热的。平行极板之间的固定间距为50 nm ~ 10 μm，双螺旋金属电极的输入功率为0.1 W ~ 3w。
图1，设备原理图。(a)基于固定间隙平行板结构的双螺旋线电极物理模型；(b)平行板结构的传热机理。双螺旋线电极和分离介质是近场辐射固定间隙平行板结构的重要组成部分。氧化硅离子半径小，晶格稳定，热膨胀最小。在本研究中，基于工作温度和板的尺寸，没有考虑板的热膨胀或局部弯曲。根据输入功率、加热时间和双螺旋金属丝电极的温升选择双螺旋金属丝的材料和电阻系数，保证对小温差的灵敏度。对石英玻璃板和双螺旋金属丝电极结构进行精心设计，确定石英玻璃板散热器的有效热源面积。这种设计保证了在加热过程中板边的温升最小，并有效地减少了通过分离介质的热传导。根据上板和双螺旋丝电极的尺寸和重量，设计了一种抗压强度高的分离介质。采用湿法刻蚀法和等离子体增强化学气相沉积法分别在石英玻璃板的顶表面制备双螺旋线电极。石英玻璃板的底面用分离介质制备，其高度决定了近场热辐射传热的距离。采用双螺旋金属丝电极的石英玻璃板的制造工艺如图2(a)所示。针对不同的输入功率，优化了双螺旋金属丝电极的尺寸，并利用阶跃剖面仪对分离介质高度、板表面平整度等参数进行了表征，以保证平行板结构的加工质量。
在实验研究中，实验测量了SiO2 - SiO2和SiO2- SiC结构下双螺旋线电极的温度变化，分别为200 nm、500 nm和1 μm。如图2(b)所示，在实验测量时，将上样板与下样板对齐，置于均匀涂有导热脂的铜板上。上部和底部的板是固定使用定制的陶瓷衬套。施加在陶瓷管上的负载重量有效地提高了装置的稳定性和测试结果的准确性。将上述设备置于真空槽内（P < 10 - 5pa），真空槽内记录初始温度，同时也记录样品载体Tref的温度，该温度等于铜板的温度。样品载体的温度可以通过装置控制和固定。双螺旋线电极涉及电源，高精度电阻箱串联连接。开始时在双螺旋金属丝电极上施加恒定的小电压（0.001 V）来调节电阻盒的电阻。当双螺旋丝电极的电压值（UA）与电阻箱的电压值（UB）相等时，可得到双螺旋丝电极的初始电阻值。通过检测双螺旋金属丝电极的稳态电压变化，计算不同参数（固定间隙、电极输入功率、底板材料）下双螺旋金属丝电极的温度变化。
图2，实验测量装置示意图。(a)双螺旋金属丝电极石英玻璃板的制造工艺，(b)实验测量方法。图3(a)为当底板温度为293.15 K时，SiO2 - SiO2和SiO2- SiC两种构型平行板间固定间隙等效换热系数理论值的变化趋势。可以看出，随着间隙的增大，近场热辐射等效换热系数逐渐减小。当间隙<200 nm时，近场热辐射系数变化明显。等效换热系数随间隙<100 nm的减小而急剧增大。这是因为热辐射的热量是通过传播波和倏逝波传递的。当两物体之间的间隙小于辐射的特征波长时，由于光子隧穿效应和表面激子的作用，物体表面存在的倏逝波占主导地位，近场热辐射急剧增强。当间隙增大时，倏逝波的作用逐渐减弱，导致近场热辐射效应逐渐减弱。另外，对称SiO2 - SiO2板间的等效换热系数大于非对称SiO2 - SiC板间的等效换热系数。与非对称SiO2 - SiC板相比，SiO2 - SiO2板在更宽的频率区域激发声子极化子的强耦合效应，大大增强了近场热辐射。根据两块不同板间不同固定间隙的等效换热系数理论值，图3(b)给出了SiO2- SiO2和SiO2- SiC结构在1 μm、500 nm、200 nm、100 nm和50 nm固定间隙下的等效换热系数理论值。图3(c)和图3(d)计算了两个平板结构的双螺旋丝电极的温度变化趋势，以及输入功率。可以看出，在相同输入功率下，近场热辐射的影响随间隙的增大而减小，因此双螺旋丝电极的温度随间隙的增大而升高。当电极的输入功率较大时，电极产生的热量会使温度显著升高。同样，当间隙较小时，双螺旋丝电极的温度变化更为明显。当间隙大于500 nm时，双螺旋丝电极的温度变化不大。可见，近场热辐射效应在小间隙处显著增强，随着间隙的增大而逐渐减弱。与SiO2 - SiO2对称板结构相比，在50 nm ~ 10 μm范围内固定间隙的SiO2 - SiC结构的等效换热系数较小，说明SiO2 - SiC不对称板结构的近场热辐射效应相对较弱。这是因为非晶二氧化硅和碳化硅的表面声子极化激子频率不同，导致上底板耦合效率较低。可以看出，不同板结构之间的近场热辐射强度是不同的。因此，在利用不同材料板结构之间的近场热辐射来改善微器件散热时，需要考虑近场热辐射的耦合关系，这也是影响微器件通过近场热辐射散热效率的重要因素。图3，(a)不同间隙下SiO2 - SiO2与SiO2 - SiC板间等效传热系数的理论值，(b)配置SiO2 - SiO2的输入功率下双螺旋线电极的温差变化趋势，(c)配置SiO2 - SiC的输入功率下双螺旋线电极的温差变化趋势。图4为底板温度293.15 K，双螺旋丝电极输入功率为3w时，两平行板结构双螺旋丝电极的稳态温度分布。图4(a)和图4(b)显示了具有两个平行板结构的双螺旋线电极在50 nm和10 μm固定间隙处的温度分布。观察到对称SiO2 -SiO2平行板的双螺旋金属丝电极的平均温度明显低于不对称SiO2 - SiC平行板的平均温度。这意味着对称型SiO2 - SiO2平行板的双螺旋金属丝电极产生的大部分热量通过近场热辐射传递到底板上，而不对称型SiO2 - SiC平行板结构的双螺旋金属丝电极产生的大部分热量不能通过近场热辐射传递到底板上，导致双螺旋金属丝电极温度升高。由上节讨论的结果可以看出，对称结构的SiO2 - SiO2板可以在更宽的频率区域激发声子极化子的强耦合效应，从而大大增强了近场热辐射。SiO2 - SiO2平行板间的近场热辐射热通量大于SiO2 - SiC平行板间的近场热辐射热通量。当间隙增大到10 μm时，SiO2 - SiO2和SiO2- SiC平行板结构的等效换热系数急剧减小，近场热辐射不明显。因此，双螺旋丝电极的两个平行板结构不能及时散热，导致双螺旋丝电极温度升高，如图4(c)和图4(d)所示。由此可见，近场热辐射在微器件冷却系统中可以发挥重要作用。此外，值得注意的是，在相同的换热间隙下，不同平行板之间的近场热辐射也不同，这取决于不同平行板之间是否能在更宽的频率区域激发表面声子极化子的强耦合效应。
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图4，双平行板结构双螺旋丝电极的温度分布。（a-b）间隙为50 nm的SiO2 - SiO2和SiO2 - SiC平行板结构，（c-d）间隙为10 μm的SiO2 - SiO2和SiO2 - SiC平行板结构。
为了验证数值结果的准确性，对SiO2 - SiO2和SiO2- SiC平行板结构进行了200 nm、500 nm和1 μm三种不同固定间隙的实验测量。图5为SiO2 - SiO2和SiO2- SiC平行板结构的双螺旋线电极温度随输入电压在200 nm、500 nm和1 μm三种不同间隙下的变化趋势。由于实验过程中真空槽内初始温度差异较小，因此实验结果之间存在一定差异。但不影响数值模拟与实验的对比结果。图5(a)和图5(b)的实验结果与数值模拟结果吻合较好，验证了数值结果的准确性。然而，较小间隙的实验测量对实验条件的质量要求更高。因此，固定间隙为200 nm的SiO2 - SiO2和SiO2- SiC板结构的最大误差分别约为7%和8%，而固定间隙为500 nm和1 μm的SiO2 - SiC板结构的最大误差约为5%。结果的稳定性和重复性有待进一步提高。通过严格控制实验样品的制作精度，减少实验过程中不必要的界面热阻，可以解决这一问题。此外，在输入电压较小的情况下，非晶二氧化硅衬底的双螺旋金属丝电极向周围环境的远场辐射会影响近场热辐射的传输，导致实验结果误差较大。因此，可以适当提高输入电压，以减少上述因素对实验结果的影响。随着总输入电压的增加，双螺旋线电极的累积热量增加，导致双螺旋线电极的温度升高。当间隙从200 nm增加到1 μm时，SiO2 - SiO2板结构的双螺旋金属丝电极的温度显著升高。这是因为近场热辐射的等效换热系数大大减小。等效换热系数在500 nm和1 μm之间无显著差异。由此可见，SiO2 - SiO2板结构之间不同传热间隙的双螺旋线电极的温度变化是明显的。同样，在200 nm ~ 1 μm范围内，SiO2 - SiC板结构之间的等效换热系数变化不明显。随着换热间隙的增大，SiO2 - SiC板结构双螺旋线电极的温度变化相对较小。研究结果还表明，板间近场热辐射耗散效率不仅要考虑板间间隙，还要考虑板表面材料之间频率区域声子极化子的耦合效应强度。![]()
图5，不同输入电压下不同间隙的数值与实验结果比较。(a) SiO2 - SiO2板结构，(b) SiO2 - SiC板结构。
本文提出了一种基于固定间隙平行板结构的新型双螺旋线电极。解决了近场热辐射实验和理论方法存在的精度低、稳定性差、结构设计复杂等主要问题。验证了所提出的固定间隙平行板结构用于微器件近场热辐射耗散的可行性和准确性。结果表明：在相同传热间隙下，SiO2 - SiO2板间的近场热辐射效应强于SiO2- SiC板间的近场热辐射效应；当输入功率<0.3 W且间隙小于1 μm时，SiO2 - SiO2和SiO2- SiC板结构的双螺旋电极的温升均<100 K。由于微加工技术和其他实验条件的限制，在未来的近场热辐射实验中仍有一些挑战需要解决。随着换热间隙的减小，干扰因素对实验结果的影响越来越大。然而，热脂涂层的厚度和均匀性会影响实验结果的准确性。因此，控制和增强底板的散热和稳定性是未来工作的关键挑战。除了传热间隙外，不同复合材料表面声子极化子的耦合强度对近场热辐射也有显著影响。因此，未来的研究重点将是通过在低维结构中引入新材料以及优化实验模型和方法来提高近场热辐射的传热效率。该方法旨在通过导热材料的近场热辐射实现对微器件的有效热管理。
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