椭球形纳米粒子中取向调控的声子极化激元耦合用于近场能量导引

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Orientation-controlled phonon polariton coupling in ellipsoidal nanoparticles for near-field energy routing

　　

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  仅通过旋转即可将近场热通量分割比从0%调节至99%。
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  由各向同性碳化硅纳米颗粒产生的形状诱导声子极化激元各向异性。
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  无需外部电场或磁场即可实现热能路由。
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  对颗粒间距变化和接收器错位具有鲁棒性。
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  可推广至广泛的极性介电材料体系。

引言

紧密间距纳米物体之间的近场能量传输，由近场辐射传热（NFRHT）介导，可因倏逝波隧穿效应而比远场黑体极限高出数个数量级 [1]、[2]，为纳米尺度热管理、能量转换和辐射热逻辑打开了丰富的可能性 [3]、[4]、[5]。将其扩展到多体系统——其中多个发射器之间的协同效应深刻地重塑了近场辐射传热 [6]——使得辐射热开关 [7]、晶体管 [8] 和二极管 [9] 等热逻辑器件成为可能。近期实验进一步证明了通过极化激元模式失配实现对NFRHT的电学调制 [10]、通过角落和边缘模式实现的几何依赖增强 [4]、利用介电/有机多层结构进行材料轮廓调制 [11]，以及通过超材料介导的近场辐射交换操控 [12]。在此更广泛的背景下，近场能量分割器——将热能从单一源引导至多个漏极——对于热电路和能量路由尤为引人关注。已报道的实验侧重于两体NFRHT的增强或主动调制，而相关的理论分割器和路由器研究则涉及从一个发射器到多个接收器的能量分配。

已提出多种分割器设计。Ben-Abdallah等人 [13] 和Song等人 [14] 分别提出了基于石墨烯纳米盘和石墨烯/SiC核壳纳米颗粒的三端分割器，并预测通过电学控制费米能级可以实现宽范围可调的分割比。Ge等人 [15] 设计了基于磁光InSb纳米颗粒的分割器，通过外部磁场进行控制。各向异性α-MoO?也被用于热通量分割，无论是通过旋转诱导单个颗粒的调制 [16]，还是通过扭曲双层底层的声子极化激元拓扑跃迁 [17]。这些方法提供了可观的调谐能力，但它们依赖于电学门控、磁场或固有的双曲材料。在此，我们介绍了一种三端近场能量分割器，该分割器仅依赖于由本征各向同性材料制成的颗粒的形状诱导各向异性。补充信息中的表S1比较了两组与本研究的工作。

椭球形纳米颗粒为这种形状诱导各向异性提供了自然途径，因为其张量极化率产生了方向依赖的局域化表面声子共振 [18]。先前的研究表明，各向异性多体系统中的辐射热交换可以增强数个数量级 [19]，并且椭球形和超椭球形颗粒的相对取向可以在增强和抑制模式之间切换热传输 [20]、[21]。与此并行，扭转角控制的NFRHT调制已在双曲光子表面 [22]、扭曲双层系统中的极化激元拓扑跃迁 [23]、各向异性介质中的卡西米尔相互作用 [24]，以及成对旋转纳米结构 [25] 中得到证明。非互易基底附近的热通量旋转控制也得到了探索 [26]。这些研究确立了取向作为一个强有力的控制参数，但它们并未确定完整颗粒系统所需的几何条件，以实现两个接收器之间近乎完全的、连续可调的能量分配。

在本工作中，我们证明了近场能量分割器的分割比可以通过一种无需外部场、相变材料或天然双曲介质的机制，从接近0%连续调节至超过99%。核心思想是利用由本征各向同性材料制成的椭球形纳米颗粒的形状各向异性。由于椭球体支持方向依赖的局域化表面声子极化激元（LSPhP）模式，仅需旋转发射器颗粒即可在两个接收器之间重新分配辐射热通量。我们发现长椭球体在长径比大于3的YYX构型下是最有效的设计，并将其光谱分离的局域化表面声子极化激元模式与由此产生的方向性热通量对比联系起来。球体-椭球体对比表明，发射器和接收器的各向异性响应对于接近1的分割比是必需的。对间距、接收器错位和材料共振频率的鲁棒性进一步支持了几何基可重构纳米尺度能量路由。

章节摘要

模型与理论框架

图1定义了三颗粒系统的几何结构、颗粒形状和轴向取向。每个颗粒为椭球体，半轴分别为$a$、$b$和$c$，其中$b=c$。长椭球体和扁椭球体分别对应$a>b=c$和$a<b=c$，其长径比分别定义为$a/b$和$b/a$。所有颗粒具有相同的体积$V=\left(\frac{4}{3}\right)\pi r^3=\left(\frac{4}{3}\right)\pi \mathit{abc}$，以半径为$r=20\mathrm{nm}$的参考球体为基准。保持颗粒体积恒定使得长径比的影响可以与颗粒尺寸的效

结果与讨论

为了解椭球体几何形状如何影响共振特性，我们在图3中绘制了长椭球体和扁椭球体在长径比为1.5、3和5时的两个独立极化率分量$\mathrm{Im}\left({\alpha }_a\right)$和$\mathrm{Im}\left({\alpha }_b\right)$随角频率的变化曲线，其中由于椭球对称性（$b=c$）有${\alpha }_b={\alpha }_c$。椭球形碳化硅纳米颗粒始终在两个不同频率下支持两个局域化表面声子共振模式（标记为LSPhP_a和LSPhP_bc），满足共振

结论

总之，我们提出了一种近场能量分割器，其分割比仅通过旋转椭球形纳米颗粒发射器进行控制，而不依赖于外部场或相变材料。导致分割的各向异性完全源于本征各向同性材料的椭球体几何形状。通过系统地改变长径比、对称轴构型和旋转角度，我们发现长椭球体在YYX构型下

CRediT作者贡献声明

Wen-Xuan Ge（葛文轩）： 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，形式化分析，概念化。Xu-Tong Shen（沈绪通）： 撰写 – 原始草稿，可视化，软件，调查。Kuan Fu（傅宽）： 验证，软件。Fengchuan Xu（徐丰川）： 资源，数据整理。Chenglin Wang（王成林）： 可视化，数据整理。Rasheed Toyin Ogundare： 撰写 – 审阅与编辑。Lei Gao（高磊）： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。

代码可用性

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资助

本研究由国家自然科学基金委员会（12474313、12274314、12304344）资助；苏州基础研究项目（SJC2023003）；苏州城市学院国家重点项目预研经费（2024SGY013）。本工作还得到教育部现代光学技术重点实验室（KJS2429）、苏州大学以及固体微结构国家重点实验室（M38021）、南京大学的支持。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报道的工作。

葛文轩于2024年获得中国苏州大学凝聚态物理学博士学位。他目前是苏州城市学院光电与信息工程学院的一名讲师。他的研究兴趣包括近场辐射传热、纳米光子学和表面声子极化激元学。

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