圖1. 雙納米狀態(tài)下NFRHT的原理及測量裝置。

該文使用由懸浮共面對組成的三個主要微加工器件在雙納米尺度下測量NFRHT厚度分別為20nm、50nm和120nm的SiC膜(圖1b)。采用離散系統(tǒng)格林函數(shù)(DSGF)方法對NFRHT進行初步數(shù)值模擬，指導SiC膜尺寸的選擇。

圖2.測量和模擬共面SiC膜之間的輻射傳熱系數(shù)。

圖2中SiC NFRHT結果的一個顯著特征是，隨著t的減小，h_rad強烈增加。為了進一步說明，圖2包含了兩種參考條件下的理論結果。與傳統(tǒng)的單納米尺度的小d和厚膜相比，這5.5倍的增強顯著地證明了在小d和t的雙納米尺度下，額外的物理增強的NFRHT的影響。進一步發(fā)現(xiàn)，在這種雙納米尺度下，SiC NFRHT由倏逝波而不是傳播波主導。因此，圖2中顯示的傳熱增強的物理機制與文獻39中報道的完全不同，在文獻39中，亞波長膜之間的輻射傳熱處于遠場狀態(tài)，因此僅由傳播波介導。

圖2顯示，在雙納米尺度下，測量到的SiC膜之間的NFRHT遠遠大于這種理想幾何形狀的黑體極限。例如，對于以d = 100 nm分隔的20 nm厚的膜，在室溫下測得的輻射強度大約是參考情況2的0.61 W/m²K的1400倍。其他溫度也有類似的大幅度增強。

圖3. 兩共面SiC膜間雙納米狀態(tài)下電磁角模和邊緣模介導的NFRHT增強理論分析。

在雙納米尺度下，NFRHT的大幅增強主要是由于SiC膜之間的倏變電磁角模式和邊緣模式的隧穿，這一機制在以前的研究中是被對稱性所禁止的或可以忽略8,9,21。這些模態(tài)是由x-y平面上的電磁場耦合產(chǎn)生的。由于膜長L遠大于熱光子波長(實際上是L→∞)，因此沿z方向不存在場耦合。因此，角模和邊模的出現(xiàn)可以用二維結構來理解，如圖1a和3所示，與Berini的框架一致。

總之，該文預測并測量了兩個共面SiC膜在雙納米尺度下的NFRHT，這兩個共面SiC膜的厚度相當于或小于其真空間隙間距約100 nm，溫度范圍為200 K至400 K。測量結果與基于DSGF方法和無自由參數(shù)的理論預測非常吻合。結果表明，電磁角和邊緣模式介導的NFRHT增強機制遠遠超出了兩個無限平行表面之間的機制。這些觀察到的共振模式可以主導NFRHT，在本研究中，最薄的膜的相對貢獻超過80%。在300 K時，20 nm厚SiC膜之間的輻射換熱系數(shù)為830 W/m²K，分別是兩個無限SiC平面和兩個共面黑體膜之間輻射換熱系數(shù)的5.5倍和1400倍。亞波長膜中電磁角共振和邊緣共振模式的出現(xiàn)，為增強和頻譜控制NFRHT開辟了一條途徑。如此高的傳熱能力可以使NFRHT未來在非接觸局部輻射冷卻、熱管理和能量轉(zhuǎn)換裝置中的應用成為可能。

Extended Data

圖4.制備用于測量兩個SiC膜之間NFRHT的懸浮裝置的主要步驟。

圖5.DSGF計算了真空間隙d = 100 nm分隔的兩層120nm、50nm和20nm厚SiC膜在300 K時耗散功率密度的空間分布。

圖6.DSGF使用補充表1中給出的間隙計算了兩個SiC膜之間傳播波對NFRHT的貢獻。

圖7.DSGF計算了兩層120,50和20nm厚、真空間隙d = 100nm的SiC膜在300 K時的導熱系數(shù)Grad。