掺杂硅与二氧化钒平板间的近场辐射传热及其热整流性能研究

作     者：杨培培 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张平

授予年度：2020年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：近场辐射传热 掺杂硅 二氧化钒 石墨烯 表面极化激元 热整流 

摘      要：自然界中任何物体都能够以电磁波的形式进行辐射传热,且当辐射传热的物体间的间距接近或小于由Wien位移定律确定的辐射特征波长时,由于近场效应的显著影响,使得物体间的近场辐射总热流能够超过相同条件下黑体辐射的数个量级。基于近场辐射传热的热整流系统能够突破传统热整流系统的性能限制,在能量转换系统、热逻辑电路和信息处理等科学领域有着重要的应用。因此,关于如何有效地调控近场辐射传热和提高近场辐射热整流效应的问题,受到了国内外学者的广泛关注。本文基于电磁波的概念,通过随机Maxwell方程组结合波动电动力学构建近场辐射传热的数学模型,借助并矢格林函数求解相关的电场和磁场。然后通过引入波印廷矢量结合涨落耗散理论,得到了两平行光滑平板间以及覆盖单层薄膜的平板间的近场辐射热流的计算公式。接着利用上述理论公式计算了掺杂硅和二氧化钒(VO)平板间的近场辐射热流及其热整流系数,并分析了掺杂浓度和真空间距对近场辐射热流和热整流系数的影响。结果揭示了通过掺杂浓度能够有效地调节掺杂硅的p偏振的表面等离子体极化激元(SPPs)的激发频率,强调了由于掺杂硅的p偏振的SPPs和绝缘体VO的p偏振的表面声子极化激元(SPh Ps)或p偏振的双曲线模式(HMs)的相互作用,使得平板间的正向偏置的近场辐射热流增大,进而强化相应的热整流性能。最后在上述计算的结构基础上引入单层石墨烯薄膜,通过对材料的优化组合,同时综合考虑石墨烯的化学势、掺杂浓度和真空间距对近场辐射热流和热整流系数的影响。结果揭示了由于石墨烯对热发射端和冷接收端的p偏振的表面模式的修改,改变了相应系统的p偏振的表面模式间或p偏振的表面模式和绝缘体VO的p偏振的HMs的相互作用,进而能够有效地调控近场辐射传热及其热整流性能。本文的研究对近场辐射热管理和基于近场辐射传热的热器件的应用具有重要意义。