金属微纳等离子体热辐射性能研究

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局部表面等离子体共振(LSPR)导致强光-物质相互作用,并且将入射辐射聚集到纳米颗粒(NP)周围的局部体积上,产生局部增强的电磁场。局部表面等离子体(LSP)的光捕获和电磁场聚集特性引起了极大的兴趣并开辟了广泛的应用。等离子体光热和热辐射作为最主要的应用在太阳能光热转换,太阳能海水淡化,红外传感,光热治疗,辐射冷却等重要技术领域具有巨大潜力。为了改善上述应用,研究工作者对等离子体激元诱导的光场和光热增强机制进行探究,为增强光热转换做出了大量的努力。例如,通过实验和数值方法绘制了等离子体结构中的热源。另外,对于热辐射的研究,许多工作集中在绘制样品表面产生的辐射,微纳米结构控制的热辐射,辐射冷却和热传递等。通过实验方法首次展示了热激发表面等离子体的热辐射扫描隧道显微镜图像,证明了近场热辐射的空间相干效应,证明了实验中宏观完善,可调谐的热发射器。此外,大量基于基尔霍夫定律的研究已经通过光学吸收光谱讨论了热辐射光谱与材料组分之间的关系。结果表明,通过改变结构或材料成分可以调节热辐射光谱。实际上,光热特性与热辐射特性之间的关系是高度相关的,这对于光热和热辐射应用非常重要。然而,几乎没有工作考虑光热产生的热辐射,这将限制冷却等离子体的温度与光热转换的进一步增强。并且很少有工作通过数值方法研究等离子体表面或内部的热辐射特性以期进一步探索等离子体结构中的光热-热辐射机制。本文结合光学原理,热力学原理和热辐射原理,对等离子体结构中的光热产生和热辐射特性进行了模拟和研究,具体研究工作如下:(1)构建了NP_qp、NP_s和NP_e几个微/纳米等离子体结构,并对其进行计算模拟。在T<333 K时,对比这几种等离子体纳米结构的黑体辐射,其热辐射谱中温度与低温应用中太阳能的光热转换表现一致;对照黑体辐射与这些等离子体结构的热辐射谱,发现热辐射与其结构明显相关;通过对微/纳米等离子体的形貌改变,热辐射光谱的峰值位置和相对强度而发生剧烈变化,说明了热辐射特性与其形貌相关;通过改变NP_qps的尺寸,热辐射光谱中热辐射峰发生移动,表示热辐射材料的结构参数与其热辐射性能具有相关性;最后通过比较三者的最大辐射峰值强度以及对等离子体结构的热辐射分布进行数值模拟,发现高热辐射来源于具有尖端和锐边的NP_qp底部区域,表明了更尖锐的末端可以产生更强的热辐射。(2)构建了一个微/纳米等离子体组件NP_se,,并对其进行计算模拟。观察它的热辐射谱,可以发现热辐射峰发生移动;对照单一NP_s、NP_e和组合后NP_se的最大辐射峰值强度,NP_se的最大辐射峰值强度表现最强,因此,通过改变等离子体结构的形貌或合理地组合,能够有效地调节这些等离子体的热辐射特性;从热辐射图中的矩形区域可以发现,与NP_e的中间截面相比,尖端和邻近的共振区域显示出更强的热辐射,这说明相邻的耦合增强了热辐射,并且耦合后的尖端热辐射更为密集。除此之外,这项工作结合了光致发热和热辐射的数值模拟结果,为设计有效的光热和热辐射材料以及调节热辐射性能提供了指导。
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