Аннотация:
Исследователи из Университета Карнеги-Меллон, Стэнфордского университета и Университета Пердью продемонстрировали метод регулирования теплопередачи на наноуровне: создание микроскопических структур золота на тонких пленках так, чтобы две поверхности были обращены друг к другу через очень узкий зазор, тем самым значительно повышая эффективность теплопередачи через зазор в виде электромагнитного излучения.
В эксперименте способность теплопередачи структурно спроектированного устройства из метаматериала была примерно в четыре раза выше, чем у устройства управления, которое не использовало ту же структуру рисунка. Исследование, опубликованное в журнале Nature, обеспечивает экспериментальную проверку использования искусственных структур для регулирования теплопередачи излучением ближнего поля.
В повседневном масштабе объекты обмениваются теплом в основном за счет теплопроводности, конвекции и обычного теплового излучения; но когда размеры двух поверхностей близки к сотням нанометров, эффекты ближнего поля становятся важными. В это время электромагнитное поле вблизи поверхности может передавать энергию на другую сторону посредством зазорной связи, в результате чего передача тепла тепловым излучением превышает предел излучения черного тела в дальней зоне. Команда протестировала межповерхностные промежутки около 250, 450 и 730 нанометров, сконструировала структуры, в том числе золотые резонаторы с разрезным кольцом на пленках нитрида кремния, и измерила изменения в теплопередаче через нанозазоры.
Увеличьте синергию обеих структур. Резонансная мода, генерируемая золотым разрезным кольцевым резонатором, сильно связана с фононными поляритонами на поверхности нитрида кремния; фононные поляритоны представляют собой поверхностные волны, образующиеся в результате взаимодействия электромагнитных волн и колебаний решетки материала. Они могут передавать энергию через зазоры в ближнем поле. Исследовательская группа поддержала это объяснение с помощью электромагнитного моделирования и теоретического анализа связанных режимов. Другими словами, цель исследования – не просто увеличить канал теплопроводности, а заставить два резонанса усиливать друг друга путем тщательного проектирования поверхностной структуры материала.
Исследователи полагают, что этот метод может предоставить новые идеи охлаждения для чипов и высокопроизводительных вычислительных систем в будущем. Это также может повысить эффективность термофотоэлектрических систем, использующих тепловое излучение для выработки электроэнергии, и помочь улучшить возможности управления сигналами инфракрасных датчиков. Однако текущие результаты были получены в наномасштабных, точно выровненных и контролируемых лабораторных условиях, и до сих пор не было продемонстрировано никаких охладителей, устройств генерации энергии или сенсорных продуктов, которые можно было бы напрямую использовать в коммерческих чипах. Исследовательская группа заявила, что в будущем все еще необходимо решить инженерные вопросы, такие как, как интегрировать эту структуру в реальные устройства, поддерживать чрезвычайно малое расстояние и достигать больших площадей производства.
Комментарии