Thin-Film Radiative Thermal Diode with Large Rectification

材料科学 光电子学 整改 热的 二极管 制作 辐射传输 薄膜 缩放比例 光学 工程物理 电压 纳米技术 物理 医学 几何学 量子力学 病理 气象学 数学 替代医学
作者
Qizhang Li,Haiyu He,Qun Chen,Bai Song
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:16 (1) 被引量:29
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.16.014069
摘要

We propose a mechanism to substantially rectify radiative heat flow by having one side of the thermal diode offering a large contrast in the local density of electromagnetic states, while the opposite side serving as a narrow bandpass filter that limits the transport to a desired spectral range. To demonstrate, we realize such a scenario by matching thin films of metal-to-insulator transition materials and polar dielectrics in the near field. By leveraging the distinct scaling behaviors of the local density of states with film thickness for metals and insulators, we theoretically achieve rectification ratios over 140, a 10-fold improvement over the state of the art, with nanofilms of vanadium dioxide and cubic boron nitride in the parallel-plane geometry at experimentally feasible gap sizes (\ensuremath{\sim}100 nm). Our rational design offers relative ease of fabrication, flexible choice of materials, and robustness against deviations from optimal film thicknesses. We expect this work to facilitate the application of thermal diodes in solid-state thermal circuits and energy-conversion devices.
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