纳米超材料将近场辐射传热提高至对照组的四倍

摘要：

卡内基梅隆大学、斯坦福大学和普渡大学研究人员展示了一种调控纳米尺度热传递的方法：在薄膜上制作微型金结构，让两个表面隔着极窄间隙相对，从而显著增强热量以电磁辐射形式跨越间隙传递的效率。

在日常尺度上，物体主要通过热传导、对流和普通热辐射交换热量；但当两个表面靠近到数百纳米时，近场效应会变得重要。此时，表面附近的电磁场可通过间隙耦合，将能量传递到另一侧，使热辐射传热超过远场黑体辐射的极限。研究团队测试了约250、450和730纳米的表面间隔，构造包括在氮化硅薄膜上的金分裂环谐振器，并测量热量通过纳米间隙传递的变化。

增强来自两种结构的协同作用。金分裂环谐振器产生的共振模式与氮化硅表面的声子极化激元强烈耦合；声子极化激元是电磁波与材料晶格振动相互耦合形成的表面波。它们能在近场跨越间隙传递能量。研究团队通过电磁模拟和耦合模理论分析支持了这一解释。换言之，研究并非单纯增加导热通道，而是通过精细设计材料表面结构，使两种共振相互增强。

研究人员认为，这一方法未来可能为芯片和高性能计算系统提供新的散热思路，也可能提升热光伏系统利用热辐射发电的效率，并有助于增强红外传感器的信号控制能力。不过，目前结果是在纳米尺度、精密对准且受控的实验室条件下取得，尚未展示可直接用于商用芯片的冷却器、发电设备或传感产品。研究团队表示，后续仍需解决如何把这种结构集成到实际器件、维持极小间距并实现大面积制造等工程问题。