論文信息： L. C. McCormack, L. Tang, and M. Francoeur, “Near-Field Radiative Heat Transfer in the Dual Nanoscale Regime between Polaritonic Membranes,” Phys. Rev. Lett. 136 , 146302 (2026).

論文鏈接： https://doi.org/10.1103/j7cj-4tl9

研究背景

在經典熱輻射理論中，當結構尺度遠大于熱輻射波長時，黑體輻射給出了基本極限。但當尺度進入納米范圍，尤其是在兩個物體間距小于熱波長時，近場效應會使熱輻射顯著增強。然而，近年來的實驗卻發現，當兩個亞波長薄膜同時處于納米尺度時，熱傳輸行為并不統一，有時增強，有時反而減弱。這一現象背后的物理機制并不清晰，特別是在不同極化子材料之間為何表現出完全不同的趨勢，成為一個亟需解釋的問題。

研究內容

研究首先建立了一個典型模型：兩塊尺寸為微米量級、厚度可調的極化子薄膜，在約100 nm的真空間隙中相對放置。通過離散系統格林函數方法，對熱輻射過程進行嚴格數值計算，從而得到熱導率與膜厚之間的關系。計算結果表明，當膜厚從宏觀尺度減小至納米尺度時，不同材料的熱傳輸行為出現顯著分化，這為后續物理分析提供了基礎。

圖 1. 在固定真空間隙 d = 100 nm 下，溫度為 T + d T 的熱發射薄膜與溫度為 T 的冷接收薄膜之間的近場輻射傳熱（NFRHT）。薄膜厚度 t 可變，而寬度 w = 1 μ m 、長度 L = 1 μ m 固定。為提高計算效率，將薄膜離散為非均勻子體元。

進一步分析發現，SiC、SiN和SiO?三種典型極化子材料表現出完全不同的趨勢：SiC薄膜隨著厚度減小，近場熱傳輸顯著增強，最高可達到無限平面情形的數倍；SiN則僅表現出較弱增強；而SiO?卻呈現明顯衰減。這一結果表明，僅僅依賴“存在表面聲子極化激元”并不足以預測熱傳輸行為，系統中還存在更關鍵的調控因素。

圖 2.采用 DSGF 方法計算的 SiC、SiN 和 SiO? 薄膜在真空間隙 d=100?nm下的近場輻射傳熱（NFRHT）。（a）300 K 時傳熱系數 h NFRHT 隨薄膜厚度的變化關系，并與相同間隙下兩無限大平面之間的結果進行比較。（ b）300 K 時熱導 G NFRHT 隨薄膜厚度的變化關系。虛線表示 G NFRHT 隨 t的變化趨勢。

為解釋上述現象，工作引入了模態分析方法，指出在有限尺寸薄膜中，除了傳統的表面極化子模式，還會出現角點（corner）和邊緣（edge）模式。這些模式來源于邊界處電磁場的耦合，并在納米結構中變得尤為重要。它們能夠顯著改變局域態密度，從而直接影響近場熱輻射的強度與頻譜分布。

圖 3. 通過 COMSOL Multiphysics 計算得到的單個無限長度 L薄膜中兩種低頻基模——角模（aa）和邊緣模（sa）——的色散關系，薄膜厚度 t可變：SiC［（a）和（b）］、SiN［（c）和（d）］以及 SiO?［（e）和（f）］。對于每種材料，均給出兩類色散圖：一類為角頻率隨波矢 實部的變化關系，另一類為ω 隨 kz模值的變化關系。

最終的物理圖像表明，熱傳輸的增強或抑制取決于材料損耗對電磁態密度的影響。對于低損耗材料，邊緣與角點模式可以有效耦合并提供大量額外通道，從而增強熱傳輸；而對于高損耗材料，這些模式被強烈阻尼，導致可用電磁態減少，反而抑制能量交換。因此，材料損耗成為決定雙納米尺度近場輻射行為的核心因素。

圖 4. 在 300 K 下、薄膜厚度分別為 20 nm、40 nm 和 100 nm 時的譜傳熱系數 采用 DSGF 方法計算，并與無限大平面之間的結果進行比較。（a）SiC，（b）SiN，（c）SiO?。 結論與展望 該工作系統研究了“雙納米尺度”條件下的近場熱輻射問題，即當結構尺寸與間隙同時進入亞波長范圍時的能量傳輸機制。通過嚴格的數值計算與模態分析相結合，揭示了極化子薄膜之間熱傳輸并非單一增強，而是取決于材料特性呈現增強或抑制兩種截然不同的行為。研究表明，有限尺寸結構中普遍存在的角點與邊緣模式在這一過程中起關鍵作用，它們通過改變電磁態密度直接調控近場能量交換。然而，這些模式的貢獻又受到材料損耗的強烈影響：低損耗材料有利于模式耦合與譜展寬，從而增強熱輻射；而高損耗則抑制模式傳播，降低傳輸效率。該結果突破了傳統基于無限平面模型的理解框架，為納米尺度熱輻射調控提供了新的物理圖像。對于未來設計高效熱管理器件、近場熱光伏系統以及納米尺度能量轉換裝置，該工作具有重要的指導意義。