CN113371671A - 一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法及装置。所述的方法，在两个微纳米平板的相对一面分别铺上一层石墨烯，用于增加磁场对近场辐射传热调控的范围，通过调节两个微纳米平板之间的热磁阻或间隙，来调控微纳米平板近场辐射传热。所述的装置，具有两个相同的掺杂浓度InSb微纳米平板，厚度为0.5mm，相对的一面分别铺有一层石墨烯，相距为10‑300nm。本发明通过外加磁场来调控近场热辐射，高效、温度无关和非接触，实现了微纳米结构间近场辐射传热非接触式主动调控，对于微电子器件或者热光伏器件等具有应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法及装置。
背景技术
近场辐射换热在许多领域都有广泛的应用，如热光电、热成像、热辅助磁记录、辐射冷却和热管理等领域。而在实际应用中如何灵活地调控近场热辐射一直是一个研究的热点。目前，人们已经投入了大量的精力来开发一种近场热流的主动控制方案，改变物体之间的间隙是一种直接有效的方法，然而，在纳米级间距下，为了满足调制效果的要求，必须对间隙进行精确控制(分辨率应在亚纳米级)，由于热流通量对间隙非常敏感而变化，这相当具有挑战性。相比于改器件(微电子器件或者热光伏器件)的温度和结构来调控近场辐射的热通量，通过控制外部环境参数来动态调节器件内的辐射通量显然是一种更好的方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法及装置。
一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法，在两个微纳米平板的相对一面分别铺上一层石墨烯，用于增加磁场对近场辐射传热调控的范围，通过调节两个微纳米平板之间的热磁阻或间隙，来调控微纳米平板近场辐射传热。
所述的方法，磁场对两个相同的掺杂浓度为n的InSb微纳米平板之间的辐射传热系数如公式(1-2)表示：
其中T为300K，T1表示热源的温度，T2表示冷源的温度，ΔT代表冷源和热源的温差，趋近于零，公式表示该温度下的热流密度，光子隧穿率ξ(ω,k；d)是根据单轴各向异性的公式进行计算，InSb微纳米平板厚度设置为0.5mm；
磁场对近场辐射的调控能力，表示为公式(1-3)：
热阻值越大，磁场对近场辐射的调控能力也就越强；
在两个相同的InSb微纳米平板之间分别铺上一层石墨烯，用于增加磁场对近场辐射传热调控的范围。
所述的方法中，所述的InSb微纳米平板的厚度为0.5mm，两个微纳米平板之间的间隙为10-300nm。
一种通过磁场调控近场辐射传热的装置，具有两个相同的掺杂浓度InSb微纳米平板，厚度为0.5mm，相对的一面分别铺有一层石墨烯，相距为10-300nm。本发明的有益效果：
通过外加磁场来调控近场热辐射是一种高效、温度无关和非接触的方法，该方法实现了微纳米结构间近场辐射传热非接触式主动调控，对于微电子器件或者热光伏器件等具有应用价值。
附图说明
图1是InSb微纳米平板结构热流控装置示意图。
图2是InSb平板间热磁阻与间隙大小的函数关系图。
图3是覆盖单层石墨烯InSb微纳米平板结构热流控装置示意图。
图4是覆盖单层石墨烯InSb平板间热磁阻与间隙大小的函数关系图。
具体实施方式
以下结合原理、附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
首先我们研究磁场对微纳米平板结构下近场辐射传热的影响，然后通过在微纳米平板结构上铺上一层石墨烯，增加了磁场对近场辐射传热调控的范围。
磁场改变近场热辐射的理论基础是，磁场会对磁光材料表面的介电函数产生影响，介电函数的变化影响光子隧穿率，光子隧穿率又是影响近场热辐射的主要变量。因此我们可以通过调节磁场强度来灵活的调控近场热辐射。
近场热辐射实验主要在室温下进行，所以材料的磁光特性需要表现在中红外波段。我们将重点讨论InSb，它是研究最广泛的材料，而且表面波中的磁场效应已在实验上得到了很好的表征。
磁场会对磁光材料表面的介电函数产生影响，当垂直磁场作用于InSb平板时，InSb的介电常数张量可以写成：
其中，ε1(H)是垂直于光轴方向的介电函数并且与磁场有关，ε3是垂直于光轴的介电函数，ε2(H)是磁回旋分量。然后来看磁场对两个相同的掺杂浓度为n的InSb微纳米平板之间的辐射传热的调控能力，仿真结构如图1。
在讨论磁场对近场热辐射影响的时候引入辐射传热系数比较方便，可以用如下公式表示：
T1表示热源的温度，T2表示冷源的温度，ΔT代表冷源和热源的温差，趋近于零。公式(1-2)表示该温度下的热流密度。这里的光子隧穿率ξ(ω，k；d)是根据单轴各向异性的平板公式进行计算。在这里InSb薄膜厚度设置为0.5mm。
我们重点研究了零场与非零场的比值，来描述磁场对近场辐射的调控能力，可以表示为：
在仿真结果中用不同的曲线表示不同垂直磁场值时，热磁阻(两个物体之间零磁场与非零磁场之比)与间隙大小成函数关系，如图2所示。热阻值越大，磁场对近场辐射的调控能力也就越强。
从图2中可以得到以下结果:
(1)当间隙在10nm到300nm之间时，不同间隙尺寸的热流对磁场的响应是不同的，磁场有明显的调控辐射传热的作用。
(2)在远场(间隙大于300nm)，倏逝波的作用逐渐减弱，因为传播波占主导地位，RHTC渐近收敛于一个常数值，反而随磁场的增大而增大。
(3)当距离为10nm左右时，对于一对InSb薄膜的进场辐射传热，磁场对传热的抑制程度可达3倍。磁场对InSb薄膜近场辐射的影响随着磁场的增大而增大，并且在6T左右趋于饱和。
同时在微纳米平板结构下的基础上，通过在平板结构上铺上一层石墨烯，增加了磁场对近场辐射传热调控的范围，仿真结构如图3所示。
当施加垂直静电磁场时，石墨烯的电导率就变成了一个具有非零对角元素和非对角元素的张量。
在这里,σL是纵向电导率，σH是霍尔电导率，他们可以被表示为
计算了磁场对石墨烯的影响后，同样的在仿真结果中我们用不同的曲线表示不同磁场值时，磁场对这个表面覆盖单层石墨烯的InSb平板微纳结构近场辐射热流调控的能力，如图4所示。
可以明显地发现，通过在InSb表面铺上一层石墨烯，可以使磁场对热流的调控能力大大增强。主要表现在以下两点：
(1)当距离为10nm左右时，对于单层石墨烯覆盖InSb的结构，磁场对传热的抑制程度可以从之前的2.8倍增加到7.1倍,磁场对热流的调控能力增加了253％。
(2)可以看到对于普通的InSb平板结构，在6T磁场左右趋于饱和，继续增加磁场也不会增大调控范围。而对于单层石墨烯覆盖InSb的结构，继续增加磁场也没有出现饱和的现象。说明在强磁场下，调控范围可以继续增大。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (4)
1.一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法，其特征是：在两个微纳米平板的相对一面分别铺上一层石墨烯，用于增加磁场对近场辐射传热调控的范围，通过调节两个微纳米平板之间的热磁阻或间隙，来调控微纳米平板近场辐射传热。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：磁场对两个相同的掺杂浓度为n的InSb微纳米平板之间的辐射传热系数如公式(1-2)表示：
其中T为300K，T1表示热源的温度，T2表示冷源的温度，ΔT代表冷源和热源的温差，趋近于零，公式表示该温度下的热流密度，光子隧穿率ξ(ω,k；d)是根据单轴各向异性的公式进行计算，InSb微纳米平板厚度设置为0.5mm；
磁场对近场辐射的调控能力，表示为公式(1-3)：
热阻值越大，磁场对近场辐射的调控能力也就越强；
在两个相同的InSb微纳米平板之间分别铺上一层石墨烯，用于增加磁场对近场辐射传热调控的范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的InSb微纳米平板的厚度为0.5mm，两个微纳米平板之间的间隙为10-300nm。
4.一种通过磁场调控近场辐射传热的装置，其特征是：具有两个相同的掺杂浓度InSb微纳米平板，厚度为0.5mm，相对的一面分别铺有一层石墨烯，相距为10-300nm。
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