论文信息： L. C. McCormack, L. Tang, and M. Francoeur, “Near-Field Radiative Heat Transfer in the Dual Nanoscale Regime between Polaritonic Membranes,” Phys. Rev. Lett. 136 , 146302 (2026).
论文链接： https://doi.org/10.1103/j7cj-4tl9
研究背景
在经典热辐射理论中，当结构尺度远大于热辐射波长时，黑体辐射给出了基本极限。但当尺度进入纳米范围，尤其是在两个物体间距小于热波长时，近场效应会使热辐射显著增强。然而，近年来的实验却发现，当两个亚波长薄膜同时处于纳米尺度时，热传输行为并不统一，有时增强，有时反而减弱。这一现象背后的物理机制并不清晰，特别是在不同极化子材料之间为何表现出完全不同的趋势，成为一个亟需解释的问题。
研究内容
研究首先建立了一个典型模型：两块尺寸为微米量级、厚度可调的极化子薄膜，在约100 nm的真空间隙中相对放置。通过离散系统格林函数方法，对热辐射过程进行严格数值计算，从而得到热导率与膜厚之间的关系。计算结果表明，当膜厚从宏观尺度减小至纳米尺度时，不同材料的热传输行为出现显著分化，这为后续物理分析提供了基础。
图 1. 在固定真空间隙 d = 100 nm 下，温度为 T + d T 的热发射薄膜与温度为 T 的冷接收薄膜之间的近场辐射传热（NFRHT）。薄膜厚度 t 可变，而宽度 w = 1 μ m 、长度 L = 1 μ m 固定。为提高计算效率，将薄膜离散为非均匀子体元。
进一步分析发现，SiC、SiN和SiO₂三种典型极化子材料表现出完全不同的趋势：SiC薄膜随着厚度减小，近场热传输显著增强，最高可达到无限平面情形的数倍；SiN则仅表现出较弱增强；而SiO₂却呈现明显衰减。这一结果表明，仅仅依赖“存在表面声子极化激元”并不足以预测热传输行为，系统中还存在更关键的调控因素。
图 2.采用 DSGF 方法计算的 SiC、SiN 和 SiO₂ 薄膜在真空间隙 d=100 nm下的近场辐射传热（NFRHT）。（a）300 K 时传热系数 h NFRHT 随薄膜厚度的变化关系，并与相同间隙下两无限大平面之间的结果进行比较。（ b）300 K 时热导 G NFRHT 随薄膜厚度的变化关系。虚线表示 G NFRHT 随 t的变化趋势。
为解释上述现象，工作引入了模态分析方法，指出在有限尺寸薄膜中，除了传统的表面极化子模式，还会出现角点（corner）和边缘（edge）模式。这些模式来源于边界处电磁场的耦合，并在纳米结构中变得尤为重要。它们能够显著改变局域态密度，从而直接影响近场热辐射的强度与频谱分布。
图 3. 通过 COMSOL Multiphysics 计算得到的单个无限长度 L薄膜中两种低频基模——角模（aa）和边缘模（sa）——的色散关系，薄膜厚度 t可变：SiC［（a）和（b）］、SiN［（c）和（d）］以及 SiO₂［（e）和（f）］。对于每种材料，均给出两类色散图：一类为角频率随波矢 实部的变化关系，另一类为ω 随 kz模值的变化关系。
最终的物理图像表明，热传输的增强或抑制取决于材料损耗对电磁态密度的影响。对于低损耗材料，边缘与角点模式可以有效耦合并提供大量额外通道，从而增强热传输；而对于高损耗材料，这些模式被强烈阻尼，导致可用电磁态减少，反而抑制能量交换。因此，材料损耗成为决定双纳米尺度近场辐射行为的核心因素。
图 4. 在 300 K 下、薄膜厚度分别为 20 nm、40 nm 和 100 nm 时的谱传热系数 采用 DSGF 方法计算，并与无限大平面之间的结果进行比较。（a）SiC，（b）SiN，（c）SiO₂。 结论与展望 该工作系统研究了“双纳米尺度”条件下的近场热辐射问题，即当结构尺寸与间隙同时进入亚波长范围时的能量传输机制。通过严格的数值计算与模态分析相结合，揭示了极化子薄膜之间热传输并非单一增强，而是取决于材料特性呈现增强或抑制两种截然不同的行为。研究表明，有限尺寸结构中普遍存在的角点与边缘模式在这一过程中起关键作用，它们通过改变电磁态密度直接调控近场能量交换。然而，这些模式的贡献又受到材料损耗的强烈影响：低损耗材料有利于模式耦合与谱展宽，从而增强热辐射；而高损耗则抑制模式传播，降低传输效率。该结果突破了传统基于无限平面模型的理解框架，为纳米尺度热辐射调控提供了新的物理图像。对于未来设计高效热管理器件、近场热光伏系统以及纳米尺度能量转换装置，该工作具有重要的指导意义。
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