hBN/SiC 异质结构中极化激元耦合的多参数协同调控以实现近场辐射传热的巨大增强

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Multi-parameter co-tuning of polariton coupling for giant enhancement of near-field radiative heat transfer in hBN/SiC heterostructures

　　

•多参数调节（??, ??, ??）使非对称 hBN–SiC 的近场辐射热传递（NFRHT）提升了 2–3 个数量级。
•双面石墨烯实现了跨间隙的级联 SPP–SPhP–HPhP 耦合。
•最优 ?? 随 ?? 减小，峰值热流发生在 ?? =0.5，?? =1.0 × 101? rad s?1 时。
•非单调的 ?? 效应在 0.1 eV 处达到峰值，这是由于展宽 - 衰减权衡所致。
•能量传输系数（ETC）揭示了由 ??、?? 和 ?? 调节的可调高耦合极化激元分支。

引言
当两个物体之间的距离减小到特征波长以下时，由于倏逝波的隧道效应，近场辐射热传递（NFRHT）可以超过斯特藩 - 玻尔兹曼定律描述的玻尔兹曼辐射极限几个数量级 [1], [2], [3]。这一现象为微纳尺度热管理 [4]、热光伏系统 [5] 以及热信息器件的设计 [6] 提供了核心物理机制。

当发射器和接收器采用相同的配置时，它们的极化激元频率完美匹配，色散关系对称耦合，在共振频率处产生显著的近场热流增强。相比之下，当发射体和接收体的结构不同时，这导致极化激元频率严重失配，极大地削弱了表面模式之间的耦合，从而导致热流显著减少。因此，该领域的一个核心挑战是如何有效地补偿或减轻由不同结构制成的两端之间的光谱失配，同时实现对近场热流的主动控制。

已报告了多种增强或调制 NFRHT 的策略。一种方法涉及引入石墨烯介导的耦合以激发表面等离子体并拓宽光子隧道通道 [7]。例如，Messina 等人 [8] 从理论上证明，在 GaAs 表面覆盖单层石墨烯可以实现表面等离子体极化激元（SPPs）与 GaAs 声子极化激元（SPhPs）之间的耦合，形成一条没有水平渐近线的色散分支。这种耦合显著增强了原本弱耦合的不同结构之间的近场热流。此外，这种增强表现出对频率失配的鲁棒性，为使用石墨烯主动控制异质材料之间的近场热辐射提供了理论基础。Luo 等人 [9] 研究了 SiO?纳米粒子相对于覆盖有石墨烯光栅的 SiO?平板的横向位移对近场热流的影响。他们的研究表明，将石墨烯图案化为光栅而不是连续薄膜，扩展了可达的高波矢模式空间，并进一步促进了热流增强。

控制材料的介电环境也是增强热流的有效途径。Wu 等人 [10] 在 α-MoO?发射器和六方氮化硼（hBN）接收器之间施加相对旋转，这诱导了 hBN 的双曲体声子极化激元（HVPPs）在 k 空间中的激发区域旋转。通过调整激发区域使其不再与 α-MoO?的 HVPPs 重叠，他们实现了热流的增强和调制。Wang 等人 [11] 利用本征硅的温度依赖介电特性，在 5 纳米真空间隙下，与掺杂硅或 SiO?相比，实现了 2.7 和 9.9 的热整流因子，从而为通过近场辐射控制不同材料热流提供了不同材料途径和物理机制的见解。

实验努力也证明了在两端具有不同配置的结构中热流增强。Habibzadeh 等人 [12] 实验表明，在表现出较低 SPhP 频率的 LiF 表面涂覆单层石墨烯，可以增强原本弱耦合的介电材料之间的近场热流共振，测量到的增强范围为 2.7 到 3.2 倍。Tang 等人 [13] 对 6H-SiC 和掺杂 Si 之间的近场热辐射进行了实验研究。他们的结果显示，SiC 的低损耗特性在共振频率处产生了一个尖锐的、准单色的光谱热流峰值，比 SiSi 系统高出约五倍。此外，其他研究集中在修改基底的电磁环境 [14]，制造人工超材料 [15]——包括多层结构 [16]、纳米线阵列 [17] 和二维光栅 [18]——以及定制材料电磁响应的光谱带宽 [19]。对材料电特性的修改也被证明可以增强或调制热流 [20], [21], [22]。

尽管这些策略在调制不同发射器 - 接收器配置下的近场热流方面显示了有效性，但大多数现有研究都集中在 SPP–SPhP 耦合或涉及单个双曲声子极化激元（HPhP）的耦合上。迄今为止，解决 SPPs、SPhPs 和 HPhPs 之间协同耦合的研究仍然很少。此外，在由两种不同材料组成的单一结构中同时实现增强热流和选择性光谱调节仍然是一个挑战。在大多数情况下，提出的方法依赖于材料的固有光谱特性。例如，SPhPs 频率由材料的声子特性控制，使得主动调节困难。因此，同时实现两端由不同材料组成的传热结构中的热流增强和光谱选择性控制，以及对多种极化激元之间协同相互作用的理解，代表了需要进一步研究的紧急问题。

hBN 作为一种天然双曲材料，在垂直于光轴的方向上表现出各向同性介电张量分量，而沿光轴方向表现出各向异性行为。这使得 hBN 能够支持高波矢双曲声子极化激元（HPhPs）[23], [24]，从而显著增强光子态密度。重要的是，对 hBN 施加横向拉伸应力可以调节其声子频率，从而修改双曲响应并实现光谱可调性 [25], [26]。最近的实验进展已成功通过基底诱导应变演示了机械应力诱导的 hBN 声子频率调节。例如，Okonai 等人 [27] 利用 FeNi 合金基底和 hBN 在化学气相沉积生长期间热膨胀系数的巨大失配来引入高达 -1.23% 的压缩应变，导致 E?g 声子模式的可测量频率偏移。Cartamil 等人 [28] 通过 Si 基底和 hBN 之间的热失配应变实现了 hBN 鼓膜谐振器的温度控制张力。Kuruma 等人 [29] 采用了受激拉曼散射成像，并观察到由纳米帐篷结构引入的拉伸应变导致 hBN 的 E?g 声子峰红移。

同时，碳化硅（SiC）具有独特的声子吸收带，其中其介电函数的实部为负，而虚部保持极小 [30]；这些介电特性满足在红外区域支持表面模式的条件。因此，SiC 可以维持源自光子 - 声子耦合的表面声子极化激元（SPhPs）。此外，SiC 表现出狭窄的响应频率范围和尖锐的共振峰，赋予其热辐射高单色性和强相干性 [31], [32], [33]。

在此背景下，本研究旨在将应变诱导的 hBN 声子频率调制与不同材料之间的近场辐射热传递主动控制相结合。通过利用石墨烯介导的耦合，我们寻求建立双曲模式与表面模式之间的级联耦合——具体而言，即 HPhP–SPP–SPhP 耦合——从而同时增强和调制 hBN 与 SiC 之间的近场辐射热传递。具体来说，我们采用了一种由 hBN 发射器和多孔 SiC 接收器组成的配置，两端沉积有单层石墨烯膜。这种设计允许石墨烯充当动态可调的桥梁。通过调节其化学势（??），可以实现 SPPs、SPhPs 和 HPhPs 之间的精确耦合。同时，引入了两个额外的控制参数：（i）机械应力调节 hBN 的位移频率（??），导致其双曲带发生偏移；（ii）调整 SiC 的孔隙率（??）改变了石墨烯和 SiC 之间的界面环境，引入了额外的双曲模式。这些调整共同优化了发射器和接收器之间的模式失配，形成了多级、渐进的能量传输路径。与现有策略相比，该方法具有以下独特优势：(1) 它是主动可逆的；应力可以实时施加和释放，从而实现热流的动态切换和连续调节。(2) 光谱匹配的精确性：通过应变精细调节 hBN 声子频率，使其与 SiC 的 SPhP 和 HPhP 精确重合，可以最大化表面模式耦合效率，克服了由于模式物理起源不同而之前观察到的 SPhP–SPP 弱耦合的限制。

基于涨落电动力学和材料介电响应的理论框架，我们比较了不同配置下热流与实空间间隙之间的关系，并系统研究了 ??、?? 和 ?? 对 hBN/石墨烯 - 多孔 SiC/石墨烯结构中 NFRHT 的影响。光谱分析揭示了热流的能量分布，而光子隧道系数阐明了潜在的物理机制。这项工作为增强和控制不同材料及配置之间的近场辐射提供了新的指导策略。

章节片段

模型与方法
图 1 展示了一个 NFRHT 模型，具有 hBN/石墨烯发射器和多孔 SiC/石墨烯接收器。在此模型中，?? 代表真空间隙，?? 表示每个终端的厚度，??E 和 ??R 分别是发射器和接收器的温度。在计算中，我们设定 ?? =200 nm，??E =310 K，以及 ??R =300 K。

作为一种天然双曲材料，hBN 沿光轴（??∥）和垂直于光轴（??⊥）的介电张量分量表现出相反的符号（??∥ >0 ??⊥ <0 或 ??∥ <0 ??⊥ >0）。这

配置设计与性能比较
在任何讨论调节机制之前，必须建立 hBN/石墨烯 - 多孔 SiC/石墨烯配置在增强传热方面的实际有效性。本小节通过系统对标参考模型，提供了模型性能改进的定量展示。

如上所述，考虑了一个由 hBN 发射器和 SiC 接收器组成的结构的近场热传递模型。图 4(a) 比较了热

结论
本研究调查了 hBN 发射器和多孔 SiC 接收器之间的近场辐射热传递（NFRHT），两者都涂覆有单层石墨烯膜。hBN 双曲声子极化激元（HPhPs）与 SiC 表面声子极化激元（SPhPs）之间的内在失配严重限制了未调节结构（配置 1）中的热传递。通过结合三个调节旋钮——SiC 的孔隙率 ??、hBN 的位移频率 ??（通过机械应力）以及化学势

CRediT 作者贡献声明
Yipeng Liu：写作 - 初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。Lin Gan：可视化，方法论，形式分析。Tao Liang：写作 - 审查与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或可能被视为影响本文报告工作的个人关系。

致谢
本工作由新疆维吾尔自治区天池青年博士人才项目（资助号 51052601526）支持。

Yipeng Liu|Lin Gan|Tao Liang