尖端平面结构中热传导与近场辐射换热的耦合.docx

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1、尖端平面结构中热传导与近场辐射换热的耦合目录1 .研究背景12 .研究内容13 .结论与展望41 .研究背景在近场辐射换热问题中，物体内热传导与物体间辐射热通量之间的耦合具有重要的研究意义。有研究表明，对于处于扩散状态的两个平行平板(厚度远大于声子的平均自由程)，热传导-热辐射耦合可以引起物体内温度分布以及辐射热通量的饱和。针对任意传输状态的研究证实，这种效应在扩散状态下非常强烈，并且还会影响近距离物体的热化动力学。寻找超越两个平行平板的构型，探索不同几何形状对热传导热辐射耦合的影响是目前主要的研究方向。2 .研究内容图1是本文所研究的几何结构。该结构是两个同轴圆柱体组成，能够模拟实验上的尖端

2、平面基底结构。左右圆柱体的半径为分别岛，fRo,其中fv1,温度分别表示为T1和TR。假设两个圆柱体的热导率相同。本文的目的是求解稳态状态下的热方程，T是温度曲线，Q是源自两个圆柱体间辐射换热的体积热源。图1系统的结构图文中所有计算所涉及的温度均为(T3TR)=(400,300)K,图2显示了两种极性材料二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)情况下的辐射热通量。热导率为sic=1.4W/mK和KSiC=I20W/mK,的值可以通过计算得到ysi2=38XIoT2W/K和YSie=I3X10T2w,文章采用参数RO=Iom和产10-2,则尖端半径Ro=100nm。黑色和红色实线(分别为SiO2和

3、SiC)清晰地表示出两个平行平板的饱和效应。与此配置相比，在两个圆柱体的情况下，通量饱和能到更高的值。图2实线对应于尖端-平面构型(f=10-2)；点划线对应于平板一平板构型(/=1)；虚线表示er?发散(没有耦合的情况)，不同的颜色对应不同的材料：SiOz为黑色，SiC为红色，AU为蓝色，无法观察到耦合效应。文章还研究了在金属情况下的耦合作用。对于这种情况，通量与距离相关性呈d-2失效。文中考虑两个金(AU)圆柱体的情况，其介电常数通过DrUde模型进行描述，且热导率为KAU=310W/mK。图2显示了金(AU)在没有耦合情况下的曲线，以及在平板平板和尖端平面构型中存在耦合情况下的曲线。由于

4、金的高导热性以及在光谱红外区域没有表面共振模式，导致其辐射通量要低得多。10-33.53.01,52.0图3有无耦合两种情况时换热通量间的比率与较大圆柱的半径RO和两个圆柱半径之间的比率/的关系。其他参数为d=1nm和比=6R=IOom一些轮廓线用红色表示，而黑色虚线对应于固定的尖端半径/Ro=IOOnm0对于距离d=1nm处的两个SiO2圆柱体，图3显示了存在耦合时的辐射热通量9(d,f,Ro)和不存在耦合时的辐射热通量中(d)之间的比率，且是较大圆柱体(代表平面)半径RO和两个半径之间的比率/的函数。尽管参数设置的范围很大，但比率没有显着变化，证明此时已经处于饱和状态。此外，从图3可知，给

5、定尖端半径/Ro=IOOnm,在该范围内的值都处于饱和状态。图4尖端顶点温度与半径比/的关系，对于较大圆柱体的半径Ro的三个不同值。其他参数为d=1nm和616r=100(1图4给出了尖端顶点的温度T(r=O,z=Z3),在图中表示为较大圆柱体的半径Ro和/的函数。考虑两种极限情况：对于六1,两个平行平板的温度分别在点Z=Z2，z=Z3接近到350K,即两个外部施加的温度也和77?的平均值。相反，对于f-0,尖端顶点温度倾向于左圆柱体(平面)的温度，几乎与Z无关且等于T1o这些极限温度也可以通过解析方式得到。对于SiC,给出T-0=364K和Tf=1=335K,相对于SiOz显示出较弱的热传导

6、热辐射耦合；而在材料为金(AU)的情况下，可以得到T(r=O,z3=Tf0=Tf=1=TR=300K,即可以忽略热传导热辐射耦合。在图4观察到极限情况ff和f=1之间的转变发生在了的特征尺度上，显然取决于治。必须指出的是，对于任何合理的尖端半径/Ro值，总能非常接近极限/一0,即完全处于饱和状态时尖端顶点可能的最高温度。3 .结论与展望总而言之，本文研究了由两个不同的同轴圆柱体组成的系统中的热传导和近场辐射传热之间的耦合关系，在两个圆柱体半径之比很小的情况下，可以模拟尖端平面热显微镜的几何构型实验。通过求解该构型下的耦合热方程，可以得到近似的温度分布和辐射热通量的封闭表达式，其有效性经过了数值验证。结果表明，即使是没有非局部光学响应的材料，热传导热辐射耦合也会导致两种固体之间的换热通量饱和。这种饱和会在较小的圆柱体（尖端）中引起显着的温度变化，在极性材料的情况下温度变化能达到数十度，以及相对于没有耦合的情况，通量骤减（超过两个数量级）。这种耦合与极性材料有关，对金属的影响可以忽略不计，并在数十纳米的距离处表现出来，使得其在实验上存在观测的可能性。