近场热辐射研究最新进展.doc

近场热辐射研究最新进展 张春，曾志刚，杨 艳，杨鹏辉，胡志宇( (上海大学 纳微能源研究所，上海 200444) 摘要：近场热辐射存在光子隧道效应、表面极化激元等作用,其辐射热通量比远场辐射热通量大5～6个数量级，且与间距的6次方成反比。这些特性在近场热扫描显微镜、微型热光电系统等方面已得到广泛应用。本文简单介绍了与近场热辐射相关的涨落电动力学、涨落耗散理论，并从数值模拟和实验研究两个方面，综述了近场热辐射研究的最新进展。 关键词: 近场，热辐射，涨落耗散理论 中图分类号：O551.3 文献标识码：A Recent Research Progress of Near-field Thermal Radiation ZHANG Chun, ZENG Zhi-gang, YANG Yan, YANG Peng-hui, HU Zhi-yu ( Institute of Nano/Micro Energy , Shanghai University , Shanghai 200444 , China) Abstract: Due to the photon tunneling effect and the excitation of surface polaritons, the near-field radiative heat flux is?about five to six orders of magnitude higher?than the macro-scale heat flux, and around six orders of magnitude inversely-proportional to the spacing interval. These unique characteristics had been?broadly applied on the?near-field scanning thermal microscopy, the micro-scale thermophotovoltaic system and so on.?This paper briefly introduces the fluctuation electrodynamics and fluctuation dissipation theory that are related to the near-field thermal radiation, and the recent research highlights of the near-field radiation heat transfer in two aspects: numerical simulations and experimental results. Key words：near-field; thermal radiation; fluctuation dissipation theory 1. 前 言 有关近场热辐射的研究始于二十世纪六、七十年代。1971年，D. Polder等[1] 首次从理论上推导出了两个平行平板间的近场热辐射公式。由于当时技术水平的限制，近场热辐射现象并未得到广泛的重视。近些年随着当代纳米技术的发展，这一现象受到了广泛关注，成为热辐射领域的研究热点。 众所周知，温度在绝对零度以上的物体都会产生热辐射并以电磁波的形式进行传播，这种电磁波存在传播波和倏逝波（evanescent wave）两种形式。传播波是由电子热运动引起的，能离开物体表面在自由空间内传播，属于远场辐射，可通过普朗克黑体辐射理论解释；倏逝波是由电荷库仑力引起的，仅存在于物体表面，只能沿平行表面方向传播，而不能沿垂直表面方向传播，属于近场辐射。近场辐射是指与物体间距小于特征波长区域的辐射，其强度随着与辐射体间距的增加而呈指数规律衰减。A. I. Volokitin等人[2] 通过计算表明，由于光子隧道效应和表面极化激元的作用，近场辐射热通量会比常用于远场辐射的Stefan- Boltzmann定律计算的结果大5～6个数量级。这说明Stefan-Boltzmann定律已不能准确地描述近场区域的热辐射，要分析近场区域的热辐射，可从电磁场理论出发，基于涨落电动力学、涨落耗散理论，采用数值方法进行研究，进而得到其中的规律。 热交换通常包括热辐射、热传导和热对流三种方式，本文所关注的是真空条件下（压强小于6.7х10-3 Pa）近场热辐射现象。文中简单介绍了与近场热辐射相关的理论，并从数值模拟和实验研究两个方面，综述了近场热辐射研究的最新进展。 2. 近场热辐射基本理论 基于几何光学的传统热辐射理论适用于解释远场热辐射