【奈米科技】超越理論輻射的極限─近場熱輻射

■熱的傳遞方式包括傳導、對流及輻射。一般來說傳導及對流的效率比輻射高,但當兩物體的間距只有10幾奈米時,熱輻射的效率竟會大幅提升,甚至可以超過傳統熱輻射理論預測的80倍之多。

控制碳化矽間距的微機電系統
控制碳化矽間距的微機電系統

撰文|方程毅

熱的傳遞一直是門深奧的學問,熱力學常常也困擾著許多理工科學生(包括筆者我)。熱傳本身就已夠費解,在微小奈米尺度下的行為更為特別。我們曾在《兩個發熱源靠得近反而更能散熱?》一文中介紹奈米尺度下,關於熱「傳導」的研究,今天我們來談談另一種方式:輻射。本文將介紹奈米尺度下熱輻射的特殊行為,近場熱輻射(near-field radiative heat transfer):當兩物體距離只有數十奈米時,其輻射效率可以比理論輻射值高上數十倍。其實這件事並不是這兩年才發現的,但來自美國康乃爾大學、哥倫比亞大學及史丹佛大學的研究團隊實際用實驗證明了這個現象,並發表在《自然‧奈米科技》( Nature Nanotechnology )期刊上。

在介紹實驗前,我們先來簡單理解這個神奇現象:近場熱輻射。「熱輻射」及「近場」到底是什麼呢?熱輻射是熱以電磁波的形式釋放出來,例如:人體會熱輻射紅外線,因此軍隊可以用紅外線夜視鏡偵測敵人的存在。至於要理解近場,我們就來用電磁波的另一個面貌來解釋:光。

假設現在有一根光纖,一般對光纖的理解是有一個折射率比周圍都高的材料,因為全反射使光能夠走在材料內部而不會向四面八方散逸。這個理解沒有錯,但這是幾何光學的角度,幾何光學只適用於尺度遠大於波長的情況,這個角度稱為遠場(far-field),但當尺度縮小到波長等級時就必須用近場光學(Near-field optics)來解釋。如圖一所示,想像一下這是一截面積只有1μm*1μm的超小光纖(光波導),正方形圍住的區域是高折射率材料,圖中的顏色是電場強度(紅色最強、藍色最弱),電場強度可以相當於電磁波的強度,也就是這個波在材料內部的分布,如果是一個「完美」全反射的光纖,光纖中的電磁波將不會「溢漏」出去。但觀察一下這張圖,卻發現在正方形外部依舊有淺藍色微弱的電場,這些「溢漏」出去的電場稱為「衰逝波」(evanescent wave),它只存在於材料周圍,距離遠一點強度就大幅減弱,所以才稱為衰逝波。

圖一 二氧化矽光波導示意圖 註:本圖並非熱輻射示意圖,僅利用光學現象解釋近場行為,以幫助讀者理解近場熱輻射
圖一 二氧化矽光波導示意圖
註:本圖並非熱輻射示意圖,僅利用光學現象解釋近場行為,以幫助讀者理解近場熱輻射( http://goo.gl/XMNokA )

「衰逝波」即為本文奇特熱輻射現象的關鍵所在。假設兩個光波導離很遠,衰逝波將不會有任何影響,但是當兩個光波導靠得非常近,近到衰逝波還無法衰減時,便會起交互作用。這些現象都只有在尺度非常小的時候發生,我們稱這些現象為近場現象;相反的,尺度大則稱為遠場現象,幾何光學及黑體輻射都是遠場行為。

現在再把焦點從光波導移回發熱源,假設現在有一個發熱源(發熱源向外輻射電磁波就跟發光源向外發射光類似),一般認知其向外輻射熱都是遠場現象,但當兩個發熱源靠的非常近,近到衰逝波還來不及衰減時,衰逝波便成為熱輻射的另一個管道,兩物體衰逝波的交互作用大幅增加熱輻射的效率,甚至超越黑體輻射(因為黑體輻射同樣是遠場行為)。

這個現象早已有研究預測並進行理論研究,但卻鮮少有人能用實驗證明。困難點是因為要在這麼為小尺度下控制溫度及兩物體之間的距離實在太困難。美國康乃爾大學、哥倫比亞大學及史丹佛大學的研究團隊利用微機電系統(Microelectromechanical Systems,縮寫MEMS),控制兩根平行長條狀碳化矽(SiC)的間距及溫度,他們讓兩條碳化矽之間的間距縮小到42奈米,並測量出其熱輻射的能力是遠場行為的82倍(近場34nW/K,遠場0.42nW/K),成功證明了這個現象。實驗中使用的微機電系統可以想像成奈米等級的機械,經過適當的設計,當對其施加電壓時便可以精準控制間距,同時也防止因為加熱造成的形變。

主持這項研究計畫的Michal Lipson表示:「這個研究成果相當令人興奮,一般都認為傳導及對流才是熱傳的要角,但我們證明了光(電磁波)可以是兩物體間熱傳的主導因子。」「這個高效率的非接觸式熱傳管道(non-contact, heat transfer)可以用於控制高精準度但不能互相接觸的奈米元件。」

原始論文:St-Gelais, Raphael, Linxiao Zhu, Shanhui Fan, and Michal Lipson. "Near-field radiative heat transfer between parallel structures in the deep subwavelength regime." Nature nanotechnology (2016).

參考資料:

  1. Heat and Light Get Larger at the Nanoscale
  2. Heat and light get larger at the nanoscale
  3. Pingzhou Tu, Xiaojing Huang and Eryk Dutkiewicz (2009). Adaptive Subband Selection in OFDM-BasedCognitive Radios, Cognitive Radio Systems, Wei Wang (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/7834. Available from: http://www.intechopen.com/books/cognitive-radio-systems/adaptive-subband-selection-in-ofdm-basedcognitive-radios
  4. Kim, Kyeongtae, Bai Song, Víctor Fernández-Hurtado, Woochul Lee, Wonho Jeong, Longji Cui, Dakotah Thompson et al. "Radiative heat transfer in the extreme near field." Nature (2015)
  5. Basu, S., Z. M. Zhang, and C. J. Fu. "Review of near‐field thermal radiation and its application to energy conversion." International Journal of Energy Research 33, no. 13 (2009): 1203-1232.

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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