Øjne på det umulige:Første nærfelt, subbølgelængde termisk strålingsmåling

Nanoenheder ændrer den måde, vi diagnosticerer sygdom på, behandler mad og vand og lagrer vedvarende energi. Men for at holde trit med næste generations teknologi skal forskere forstå de grundlæggende principper, der foranlediger deres funktionalitet.

I fysik beskriver Plancks lov, hvor meget varme, der kan overføres mellem to genstande, når størrelsen af ​​mellemrummet mellem genstandene er større end den termiske bølgelængde, som er omkring 10 mikrometer ved stuetemperatur. Tidligere forskning udført af Sheng Shen, professor i maskinteknik, fandt ud af, at Plancks lov kan brydes på nanoskala – når objekter er tættere på hinanden, overstiger energiudledningen forventningerne.

Nu, efter mange års forsøg og fejl, har Shens laboratorium fremstillet et avanceret instrument til at indsamle den første nanoenhedsaktiverede nærfelts termiske måling. Deres resultater afslører helt ny indsigt i energitransportfysik inden for nanoenheder - en hjørnesten mod nanoenhedsapplikationer til energiomdannelse og høst.

"Vi ønskede at skubbe grænsen," sagde Sheng Shen, professor i maskinteknik. "Kan vi gøre både mellemrummet OG objektet mindre for bedre at forstå varmeoverførsel på nanoskala?"

For at udforske dette, Xiao Luo, Ph.D. Kandidat i maskinteknik, specialbyggede en ny nanoenhedsplatform med suspenderet varmetermometri for at rapportere den første måling af nærfelts termisk stråling mellem to sub-bølgelængde strukturer.

"Jeg overvandt en masse fabrikationsvanskeligheder, herunder forurening, ødelagte enheder og membraner, der blev hængende sammen," sagde Luo. "Hele ideen er, at to bittesmå membraner skal være perfekt på linje med hinanden uden interferens fra andre objekter, der også kan overføre varme."

Luo brugte kemisk ætsning til at suspendere de to membraner, den ene med en langstrålesensor til at overvåge varmeabsorptionen, ved at fjerne det meste af substratet. Derefter målte han den termiske stråling mellem enhederne ved en række forskellige afstande fra ca. 150 nm til 750 nm.

Sammenlignet med teoretisk sortlegemestråling demonstrerede holdet en 20-dobbelt forbedring af varmeoverførslen mellem to subbølgelængdeoverflader med et separationsgab på 150 nm.

"Det overraskende er, at hele historien ikke kredser om gap-størrelsen, som vi tidligere troede," sagde Shen. "Da vi gjorde objektet mindre end bølgelængden, blev termisk stråling ikke forstærket nær så meget som forventet baseret på teorien for to store objekter. Forskere skal analysere både strukturen og den underliggende fysik for at forstå dette fænomen."

Luo og teamet validerede deres resultater ved hjælp af en beregningssimulering.

Shen mener, at der vil gå yderligere 10 til 20 år, før forbrugerne ser et håndgribeligt produkt udviklet med denne grundlæggende fysik i tankerne, men er overbevist om dets værdi for termisk teknik og fotonik.

Værket er publiceret i tidsskriftet Nano Letters .

Flere oplysninger: Xiao Luo et al., Observation af nærfelts termisk stråling mellem koplanære nanoenheder med subbølgelængdedimensioner, nanobogstaver (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03748

Leveret af Carnegie Mellon University Mechanical Engineering