近场热辐射系统及其制备方法与流程

本发明涉及，具体地，涉及一种近场热辐射系统及其制备方法；尤其涉及一种基于二维材料设计的近场热辐射系统及其制备方法。

背景技术：

2012年发表在physicalreviewletters上的一篇文章three-bodyamplificationofphotonheattunneling提出了利用三个物体放大近场光子隧穿从而提高近场热辐射的思路，结构外形与本发明相似，但其使用的材料时各项同性的sic和假定的一种各项同性材料。2016年发表在physicalreviewb上的hyperbolicwaveguideforlong-distancetransportofnear-fieldheatflux提出利用双曲波导传输近场热流至远场，其双曲波导所用的材料为一种虚构的没有耗损的双曲材料。

上述两个非专利文献两个物体之间的近场热辐射传热量虽然能够超普朗克黑体辐射定律，但依然小于近场热辐射理论计算极限值。

当前已有的技术方案主要是两个物体之间的近场热辐射传热，如平板与平板结构，两个光栅结构构成的2-物体近场热辐射系统，其传热量虽然超过普朗克黑体辐射定律，若想实现更高的传热量，高温物体和低温物体之间的距离要控制得特别小，并且依然低于近场热辐射传热的极限值。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种近场热辐射系统及其制备方法。

根据本发明提供的一种近场热辐射系统，包括高温物体、低温物体以及中继放大器；

所述高温物体的温度高于低温物体的温度；

所述中继放大器位于所述高温物体和低温物体之间；

所述高温物体作为热源；

所述低温物体作为冷源。

优选地，所述中继放大器包括石墨烯、六方氮化硼；

所述石墨烯附着在六方氮化硼上构成中继放大器的材料。

优选地，所述高温物体、低温物体的材料均包括石墨烯、六方氮化硼；

所述六方氮化硼包覆石墨烯构成高温物体、低温物体这两者的材料。

优选地，所述中继放大器包括单元；

所述单元的数量为多个；

多个所述单元包括石墨烯、六方氮化硼；

所述石墨烯的一侧附着在六方氮化硼的任一侧；

一个单元的六方氮化硼的外侧与另一个单元的石墨烯的另一侧相连接。

优选地，所述高温物体与中继放大器之间的距离d1的范围为10nm至1000nm；

所述低温物体与中继放大器之间的距离d2的范围为10nm至1000nm。

优选地，所述中继放大器的厚度δ2范围为10nm至200nm。

优选地，所述高温物体的厚度δ1、低温物体的厚度δ3范围均大于10nm。

优选地，所述高温物体、低温物体以及中继放大器，均为石墨烯六方氮化硼复合异质结构。

本发明还提供了一种上述的近场热辐射系统的制备方法，包括如下步骤：

单层石墨烯形成步骤：形成单层石墨烯；

复合异质结构形成步骤：将单层石墨烯放置于六方氮化硼两侧，构成复合异质结构。

优选地，在单层石墨烯形成步骤中，通过微机械剥离法或外延生长法形成单层石墨烯。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出的利用能够激发等离极化激元-声子极化激元的二维材料复合异质结构构成的中继放大器，将之引入近场热辐射构成低温物体近场热辐射系统，能够更大程度地增强近场热辐射并远超普朗克黑体辐射定律。

2、本发明使用的二维材料复合异质结构支持高阶表面等离激元-声子极化激元，这种耦合模态的激发可以通过改变中继器的结构予以实现，这使得能够本发明提出的中继放大器具有一定的近场热辐射调制能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中利用二维材料构成的近场热辐射系统。

图2为本发明提供的近场热辐射系统。

图3为图1和图2的近场辐射传热量随着物体间距的变化对比数据图。

图4为间隔距离为d1＝d2＝50nm时中继放大器热辐射系统和无中继放大器热辐射系统的辐射热流谱图。

图5为本发明提供的近场热辐射能量放大器结构的优选例。

图6为本发明提供的近场热辐射能量放大器结构的优选例。

下表为说明书附图中的各个附图标记的含义：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种近场热辐射系统，包括高温物体1、低温物体3以及中继放大器4；所述高温物体1的温度高于低温物体3的温度；所述中继放大器4位于所述高温物体1和低温物体3之间；所述高温物体1作为热源；所述低温物体3作为冷源。

所述中继放大器4包括石墨烯5、六方氮化硼6；所述石墨烯5附着在六方氮化硼6上构成中继放大器的材料。

所述高温物体1、低温物体3的材料均包括石墨烯5、六方氮化硼6；所述六方氮化硼6包覆石墨烯5构成高温物体1、低温物体3这两者的材料。

所述中继放大器4包括单元；所述单元的数量为多个；多个所述单元包括石墨烯5、六方氮化硼6；所述石墨烯5的一侧附着在六方氮化硼6的任一侧；一个单元的六方氮化硼6的外侧与另一个单元的石墨烯5的另一侧相连接。

所述高温物体1与中继放大器4之间的距离d1的范围为10nm至1000nm；所述低温物体3与中继放大器4之间的距离d2的范围为10nm至1000nm。所述高温物体与中继放大器之间的距离d1、低温物体与中继放大器之间的距离d2这两者的值可以为相等或相互接近。更具体地说，如图3所示，当所述高温物体与中继放大器之间的距离d1、低温物体与中继放大器之间的距离d2的范围在10nm至1000nm时引入中继放大器4时系统传热量都优于无中继放大器的系统传热量，并且均超过远场黑体热辐射的最大值。

优选地，所述中继放大器的厚度δ2范围为10nm至200nm。选取原则：一是要保证厚度不过厚以使光子能够穿透，二是要考虑制备加工工艺不能太薄。所述高温物体的厚度δ1、低温物体的厚度δ3范围均大于10nm。选取原则：高温物体的厚度δ1，低温物体的厚度δ3并无特别的最小值限制，但要有足够的厚度，以保证六方氮化硼复合异质结构能产生强耦合，激发声子极化激元-表面等离激元的耦合态，以增强近场传热量。所述高温物体1、低温物体3以及中继放大器4，均为石墨烯六方氮化硼复合异质结构，三者最上层均为石墨烯5，六方氮化硼6能够激发声子极化激元，石墨烯5能够激发表面等离激元，近场热辐射能量放大器所采用的复合异质结构可以产生能够相互耦合的声子极化激元-表面等离激元的耦合态，这种效应在近场时对传热量有明显作用，能够增强近场辐射。

本发明还提供了一种上述的近场热辐射能量放大器的制备方法，包括如下步骤：

单层石墨烯形成步骤：形成单层石墨烯；复合异质结构形成步骤：将单层石墨烯放置于六方氮化硼两侧，构成复合异质结构。

在单层石墨烯形成步骤中，通过微机械剥离法或外延生长法形成单层石墨烯。优选地，对于由石墨烯-六方氮化硼-石墨烯构成的复合异质结构的制备方法，可先通过微机械剥离法或外延生长法制备单层石墨烯，通过物体气相沉积法制备六方氮化硼薄膜。将两片单层石墨烯放置于六方氮化硼的两侧，由于范德瓦尔兹力的相互作用两者将会牢固结合，形成复合异质结构，即构成了本发明提供的近场热辐射能量放大器。、

下面对本发明提供的近场热辐射能量放大器以及中继器的制备方法进行进一步描述：

本发明提供的近场热辐射能量放大器；优选地，整体结构为多层的二维材料复合异质结构，如图2所示，本发明提供的近场热辐射系统或者说近场热辐射能量放大器的系统为包括高温物体1、低温物体2的物体，中继放大器4。其中，高温物体1和低温物体3均优选地使用六方氮化硼6覆盖,石墨烯5构成的复合异质结构。所述石墨烯5优选的为单层石墨烯；中继放大器4优选地采用六方氮化硼6的两端覆盖单层石墨烯构成的复合异质结构。

对于引入中继放大器4的物体近场热辐射系统，高温物体1发出的辐射能以可见光、红外波段电磁波的形式一部分被中继放大器4吸收，一部分穿透中继放大器4直接到达低温物体3。被中继放大器4吸收的能量会以倏逝波和传输波两种形式辐射被低温物体3吸收。

以石墨烯5六方氮化硼6组成的复合异质结构能够激发表面等离激元-声子极化激元耦合模态，这种耦合模态在近场能够增强光子的隧穿效应，利用这种表面倏逝波能如图5、图6所示，本发明提供的近场热辐射能量放大器，利用的是石墨烯5和六方氮化硼6的复合异质结构，所谓的复合异质结构是指将单侧石墨烯附着在具有一定厚度的六方氮化硼上。这种结构可以支持表面等离激元和声子极化激元的耦合模态，即支持较强的倏逝波耦合，这是一般由一种材料组成的普通结构不具有的优势。这里单层石墨烯的厚度为δ，优选的δ为0.3nm，六方氮化硼的厚度δ2可调。本发明优选地使用在六方氮化硼两段覆盖石墨烯，但也可以考虑石墨烯-六方氮化硼交替多层结构，均称为石墨烯/六方氮化硼复合异质结构。

需要说明的是，本发明使用的序数形容词“第一”、“第二”及“第三”等用来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。