2021-10-24

电磁波诱导的集体电子、声子共振现象如表面等离激元、表面声子极化激元在诸多纳米科学领域起到关键作用。表面等离激元和声子极化激元的激发可获得巨大的近场热辐射增强，拓扑激元激发，极化激元的操纵和其他奇异的纳米尺度现象。经典物理学预言，完美的热辐射体工作在普朗克黑体极限。而在过去的十年里，许多近场热辐射的实验已经证明，表面声子极化激元可使得两物体间的热辐射能量在~ 50 nm的间隙距离上，高于黑体极限两个数量级（约100倍）。然而，要将近场热辐射能量进一步增强至三个数量级，需要将两个物体的间距缩小，甚至到20 nm及以下。如何在更大的间距下，突破黑体辐射极限三个或更高的数量级，对微纳光学、微纳尺度传热的理论和实验研究都具有重要的意义。

为此，本课题组设计了石墨烯/SU8五层异质结构，利用石墨烯的费米能级随外电场的可调性，在期望的中远红外波段内构造多重表面等离激元耦合，使得两个五层异质结构在间距55 nm处，产生巨大的近场热辐射能量，突破黑体辐射极限约1129倍，将现有的国际最佳水平提升约1个数量级。该巨大的热辐射能量，将激励石墨烯基的近场热辐射器件的进一步探索、技术开发、新材料和结构的设计，对芯片冷却、可调控近场热信号处理、近场热光伏系统等具有重要的研究意义。相关工作以“Optimized colossal near-field thermal radiation enabled by manipulating coupled plasmon polariton geometry”为题，发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202106097)上（影响因子 > 30）。浙江大学光电学院博士后史可樟、华南师范大学硕士生陈肇扬为论文的共同一作，何赛灵教授为论文的通讯作者。文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106097

图1. (a)结构示意图及样品实物图；(b)近场热辐射实验测量装置；(c)-(d)石墨烯费米能级为-0.36 eV和-0.11 eV时对应的光子隧穿概率图；(e)石墨烯/SU8五层异质结构的近场热辐射测量结果；(f)所测的热辐射通量相比于黑体辐射极限的比值；