球形納米粒子與半無限大介質(zhì)的近場輻射換熱研究.pdf

1、近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多有關(guān)微納米尺度輻射換熱的問題。當(dāng)物體尺寸與熱平均自由程或熱輻射波長相當(dāng)時，微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要對涉及輻射換熱的物理現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究。然而，對于有關(guān)的物理機(jī)制目前還缺乏足夠的認(rèn)識。例如，在所有的近場顯微鏡(掃描隧道顯微鏡和分子力顯微鏡)或掃描熱顯微鏡中，都包含兩半無限大物體或探針與基底平面之間的輻射換熱，對其進(jìn)行計算分析依然是一個頗具挑戰(zhàn)性的問題。因此，無論是對理論研究還是對實際應(yīng)用來說，理解并預(yù)測

2、兩個間距在微納米數(shù)量級的物體間的熱交換，都是一個重要的研究方向。本文研究了間距為納米數(shù)量級的兩球形納米粒子間以及一納米粒子與半無限大介質(zhì)間的輻射換熱。其中粒子可以是分子、粉塵顆粒或者顯微鏡探針的簡化模型。使用電磁場理論，利用偶極子近似處理納米粒子，來推導(dǎo)它們之間的輻射換熱量。使用格林函數(shù)將材料中的電流與電偶極矩與界面上的場關(guān)聯(lián)起來，這樣就可以使用漲落-耗散理論來計算所需要的物理量。論文同時推導(dǎo)了單位頻率下和全頻率下的輻射換熱量。對于兩個

3、納米粒子，計算了兩者之間的凈輻射換熱量。其空間相關(guān)性是以1/ d~6的形式表示出來的。這種空間相關(guān)性是典型的感應(yīng)偶極子間的相互作用。兩粒子間的輻射能量傳遞還取決于各個粒子的極化率的虛部。同時，輻射換熱只在與材料相關(guān)的特定的頻率下發(fā)生。對于納米粒子與半無限大介質(zhì)，分別計算了介質(zhì)對粒子和粒子對介質(zhì)的輻射。介質(zhì)對粒子的輻射隨頻率的變化曲線有明顯的峰值，它們與材料以及材料表面的倏逝波有關(guān)；近場下的輻射換熱量要比遠(yuǎn)場的大好幾個數(shù)量級。粒子對介質(zhì)的