基于石墨烯—六方氮化硼中间调制器的近场热辐射研究

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随着微纳制造技术的发展,电子器件集成度越来越高,基于微纳尺度的热传输研究变得越来越重要。辐射是传热的一种重要形式,由于倏逝波的隧穿作用,两个物体之间的近场辐射传热可以超过普朗克黑体辐射的极限,特别是当物体支持表面等离子体激元、表面声子极化子和双曲声子极化子时。近些年来随着对近场热辐射的深入研究,热辐射方面的应用得到迅速发展,如近场热光电、热成像、电子元件辐射冷却和微热管理等。本论文以涨落耗散定理、并矢格林函数和麦克斯韦方程等为理论依据,对基于石墨烯、六方氮化硼(hBN)和二氧化硅(SiO2)的复合异质结构的三平板间的近场辐射热传输进行了计算及分析。主要研究内容有:1.研究了石墨烯电导率,六方氮化硼及二氧化硅的介电函数,还给出了3-物体体系近场辐射净热流的计算方法,总结了多层介质堆叠的菲涅尔反射系数和透射系数的计算方法。2.提出了石墨烯、块状二氧化硅和六方氮化硼薄膜组成的3-物体体系。研究了3-物体体系及其对应的2-物体体系的近场热辐射。分析了石墨烯化学势、体间距和六方氮化硼薄膜厚度等物理参数对3-物体体系和2-物体体系的近场热辐射的影响,发现体间距对近场热辐射的影响比较明显,此外通过比较不同物理参数下的辐射热流,找到了增强近场辐射传输的最优参数。同时随着调制器的引入,3-物体体系相较于2-物体体系近场辐射热流得到显著增强。3.研究了石墨烯和六方氮化硼薄膜周期性堆叠而成的调制器对近场热辐射的影响。通过将多层结构与三明治结构(调制器为六方氮化硼薄膜两侧覆盖石墨烯)作比较得到多层结构近场辐射换热的特性,此外分析与讨论了多层结构不同参数如石墨烯化学势、体间距和六方氮化硼薄膜厚度对热辐射系数的影响。当固定多层结构调制器厚度时,逐渐增加六方氮化硼薄膜与石墨烯的层数,近场辐射热流增大,这说明调制器中六方氮化硼薄膜与石墨烯的层数会对近场热辐射产生影响。分别调整调制器的石墨烯化学势以及发射器与接收器的石墨烯化学势,通过研究得知石墨烯化学势能够对近场热辐射产生重要影响。
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