基于二氧化钒纳米线单畴相变的近场光吸收测量与界面热输运研究

Near-field energy absorption and transfer are the key processes to nanoscale modern light and heat managment while the controlled near-field energy process is significantly important to the nanomaterial applcations on new energy explaration. However, the lack of effective method guaging energy flow largely limit the knowledge and application of near-field energy process. This project combines the featured single domain phase transition of vanadium dioxide nanowires with laser probe technology, developing a new method for the direct quantification of optical absorption and heat transfer on single nanowires. A general near-field energy measurement platform will be built based on this method. The measured nanowires are coupled with the suspended vanadium dioxide nanowires for the study of near-field energy absorption and transfer, including light absorption of single nanostructures, interface heat transfer between single nanostructures and substrates as well as environment media and for the exploration of new physics in the near-field energy process. Meanwhile, new technologies and theories can be developed by investigating the impact of engineered interfaces or surfaces of nanostructures to the near-field energy process aiming to provide guidance for the applications of nanostructures on solar energy, thermoelectricity, light detectors, and thermal management at nanoscale.

近场能量吸收与输运是纳米尺度下现代光管理和热管理的关键过程，可控的近场能量过程研究对纳米材料在新能源的应用开发至关重要，然而缺乏有效的近场能量流测量方法极大的限制了人们对近场能量过程的认识及应用。本项目旨在结合二氧化钒纳米线单畴相变特性及激光探针技术，发展新的方法实现对单根纳米线光吸收的直接定量测量。在此基础上建立普适的近场能量测量平台，通过将被测纳米线与二氧化钒纳米线悬臂相耦合，研究其对光的吸收，与衬底、环境媒介之间的界面热输运等过程，探索近场能量过程中新的物理规律。同时，研究界面和纳米结构表面工程化调控对近场能量过程的影响, 探索可控的近场能量吸收及输运的新技术和新理论。为纳米结构在光伏太阳能，热电，光探测器等应用以及纳米器件热管理等方面提供理论和实践基础。

近场能量吸收与输运是纳米尺度下现代光管理和热管理的关键过程，可控的近场能量过程研究对纳米材料在新能源的应用开发至关重要，然而缺乏有效的近场能量流测量方法极大的限制了人们对近场能量过程的认识及应用。本项目基于二氧化钒光学可见的单畴相变，建立了在单个纳米器件水平上普适的近场能量测量平台。我们首先实现了可控合成二氧化钒单晶纳米线，发展了简单的退火方法获得对产物相变特性的调控，实现了相变温度和相变温度窗口的控制，进一步，我们将获得的二氧化钒微米线用作高灵敏度和高分辨率的纳米温度计，展现在细胞水平进行生物热生理学的应用前景。随后，我们研究了单根纳米线光吸收与其半径的关系，发现实验结果和理论预测具有较大差异，这主要来自于理论模型相对简单，不能较好的考虑实际中对象的复杂因素的影响；我们进一步对微纳结构的表面进行的粗糙化工程，获得的多级结构的光吸收被发现当粗糙度和入射光波长可以比较时具有最大值，更高的粗糙度并不能有效增强光吸收；我们实现定量测量单根纳米线的热导率，其结果与其他组的报道和理论预测一致，证明我们的方法的可靠性。同时，我们也发展了新颖的“纳米温度标签”，实现对纳米线在应力下热导的定量测量，在塑形形变内，纳米线的热导率随应力单调增大，最大增大为初始值的150%，在撤掉应力后回复到初始值，因此我们发现了动态调节材料热导率的新方法。最后，我们通过对固固界面进行工程化处理，探索了近场能量输运与纳米级界面粗糙度的定量关系，并发现石墨烯作为界面介质在粗糙的界面更能促进界面的热传输（600%），这种增强归因于石墨烯极好的机械强度和超高的平面热导率。本项目发展的新颖近场能量测量平台和技术，能够直接定量测量任意单根纳米线的光吸收系数，热导率，及与基底之间的接触热阻等等关键数据，得到增强光吸收和界面热输运的工程化方法以及动态调控热导率的技术，为纳米尺度的能量管理及解决方案提供了理论和实践基础。