研究背景
全球能源需求持续增长，大量中低温废热因传统技术转换效率低而难以利用。热光伏（TPV）技术可将热辐射直接转换为电能，但远场系统受黑体辐射极限制约。近场热光伏（NFTPV）通过纳米真空间隙利用倏逝波隧穿和极化子耦合，使辐射热流远超黑体极限。石墨烯等二维材料支持表面等离子体极化子（SPPs），六方氮化硼（hBN）等双曲超材料（HMM）可激发双曲声子极化子（HPHPs）。两者耦合形成的混合表面等离子体-声子极化子（SPPPs）能显著拓宽近场辐射通道、增强光子隧穿，为高效、可调谐的纳米尺度热-电转换提供了新途径。
研究内容
本论文深入探究了一种通过混合极化子耦合实现显著性能增强的近场热光伏物理体系与器件架构。研究的核心在于构建并系统分析一个完整的光电耦合系统：该系统以支持双曲声子极化子的六方氮化硼作为基础发射材料，通过与石墨烯层的不同空间构型组合形成具有可调谐光学响应的复合热发射器；并将此发射器与一个利用石墨烯-窄带隙半导体肖特基结进行载流子提取的热光伏电池，通过一个纳米尺度的真空间隙进行近场辐射耦合。研究的核心科学问题是，在这种多层异质结构中，石墨烯的表面等离子体极化子与hBN的双曲声子极化子如何发生相互作用并形成杂化模式，这些杂化模式又如何从根本上改变近场辐射能量的光谱分布与空间输运，并最终决定整个系统的热电转换极限。
图1. (a) 由基于hBN的热发射器和石墨烯-铟锑肖特基热光伏器件组成的NFTPV器件示意图，两者之间有d的真空间隙。发射器和热光伏电池的温度分别保持在450K和77K。(b) 该器件发射器配置的不同情况。
为实现这一目标，研究首先建立了一个耦合了涨落电动力学、光子吸收与半导体载流子输运的多物理场理论模型。在光学部分，hBN的材料特性通过其各向异性的介电张量进行描述，该张量在特定的红外波段（即Reststrahlen bands）呈现出面内与面外介电常数符号相反的双曲特性，这是其支持高度局域且传播波矢极大的双曲声子极化子的物理基础。单层石墨烯则被建模为一个具有表面电导率的二维材料，其电导率采用基于紧束缚模型的Kubo公式表达，明确包含了带内（Drude模型）和带间跃迁贡献，并将化学势作为关键变量引入，以表征通过静电掺杂或化学掺杂对石墨烯费米能级的调节能力。锑化铟半导体吸收体的光学性质由其复折射率描述，并特别考虑了其窄带隙随温度变化的特性（遵循Varshni公式），以及光子能量高于带隙时与带间跃迁相关的吸收边行为。
近场辐射热传输的计算是整个模型的基础。研究采用基于涨落耗散定理和传递矩阵方法的严格电磁理论，计算了从复合发射器到多层接收器（包含石墨烯接触层和InSb体材料）的谱辐射热流。计算分别处理了传播波矢区域（贡献来自传统辐射模式）和倏逝波矢区域（贡献来自隧穿光子），其中倏逝波部分的热流通过对平行波矢从真空波数到无穷大的积分获得，该部分在纳米间隙下占据主导地位。模型中精确求解了包括所有石墨烯和hBN层在内的多层结构的广义反射与透射系数，从而能够捕捉到由多层干涉和极化子共振引起的复杂光学效应。
在电学部分，模型详细刻画了光生载流子的产生、分离与收集过程。光电流被认为产生于三个空间区域：首先是石墨烯层本身，当入射光子能量超过石墨烯- InSb肖特基势垒高度时，能在石墨烯中激发出热载流子，其中一部分能量足够高的电子可以越过或隧穿过势垒，被InSb的导带收集，形成光电流。这一过程的量子效率被建模为与过剩动能相关的函数。其次是在InSb半导体的耗尽区内，所有被吸收的、能量高于InSb带隙的光子均能以接近100%的量子效率产生电子-空穴对，并立即被耗尽区内的强建电场分离并收集。第三是在InSb的中性区，吸收光子产生的少数载流子（空穴）需要通过扩散运动到达耗尽区边缘才能被收集，其输运过程通过求解包含产生项和复合项的稳态扩散方程来描述，复合寿命是关键参数。最终，总光电流是这三个区域贡献的光谱电流密度在各自有效能量范围内的积分。结合肖特基结的理想二极管方程（包含暗饱和电流），可以得到完整的J-V特性曲线，并从中提取最大输出功率点对应的功率密度和转换效率。
利用这一完备的模型，研究系统性地比较了四种发射器构型：构型A [Gr-hBN-Gr]，构型B [hBN-Gr]，构型C [Gr-hBN]，以及作为基准的构型D [hBN]。在设定的工况（发射器温度TE=450K，电池温度TA=77K）下，研究发现构型A，即石墨烯-hBN-石墨烯的“三明治”结构，在所有研究的真空间隙尺度（10-200 nm）下均展现出最优的性能。在石墨烯化学势为0.6 eV、间隙为30 nm时，该构型实现了约54.7%的器件级功率转换效率；在更小的10 nm间隙下，其峰值功率密度高达约21,600 W/m²。相比之下，其他构型的性能指标依次递减。
为了揭示这种性能排序背后的物理机制，研究进行了深入的光谱分析和模态分析。通过计算并对比不同构型下，被石墨烯层、InSb耗尽区和中性区吸收的光谱热流，发现构型A和B的吸收光谱在远超出hBN本征Reststrahlen带的频率范围内得到了显著拓宽和增强，尤其是在高于InSb带隙（对InSb区电流有贡献）和高于肖特基势垒（对石墨烯热载流子电流有贡献）的光子能量区间。而构型C和D的吸收则更多地集中在hBN的第二个Reststrahlen带内，频谱宽度有限。这表明，将石墨烯层置于hBN的下方（靠近真空间隙的一侧）对于有效激发和耦合宽带混合极化子模式至关重要。
研究进一步探讨了石墨烯化学势的核心调控作用。通过扫描化学势从0.2 eV到0.6 eV，发现随着化学势升高，石墨烯的等离子体频率发生蓝移，其与hBN声子极化子的耦合强度发生变化。有趣的是，虽然石墨烯层自身的直接光吸收有所减弱，但整个器件在InSb耗尽区内对“有用”的、高于带隙的光子的吸收却大幅增强。这是因为更强的耦合将更多的辐射能量直接导入到半导体的耗尽区，以更高的内量子效率转化为电流。同时，化学势的升高也提高了肖特基势垒高度，有助于抑制暗电流，从而共同推动了转换效率的显著提升。
最深刻的物理见解来源于对系统色散关系的分析。通过绘制辐射传输系数随频率和面内波矢变化的等高线图（即能量传输系数色散图），可以直观地可视化主导近场热传输的极化子模式。对于纯hBN发射器（构型D），高传输通道严格局限在其第二Reststrahlen带的双曲声子极化子模式内。引入石墨烯后，在构型B和C中，可以清晰地观察到石墨烯等离子体激元色散曲线与hBN双曲声子极化子带的杂化，形成了新的、具有混合特征的色散分支。而在构型A中，由于上下两层石墨烯通过薄hBN介质发生强近场耦合，出现了更为复杂的模式分裂，产生了一条额外的、平坦且延伸至更大波矢的杂化极化子分支。这条新增的模式极大地丰富了在关键光谱区域（与InSb吸收匹配）的光子态密度，为观测到的超高近场热流和光电转换效率提供了直接的物理图像。研究还展示了提高石墨烯化学势如何进一步使这些杂化模式色散“硬化”并拓宽其频谱范围，与性能提升的趋势完全吻合。
除了揭示物理机制，研究还前瞻性地评估了该器件架构的实验可行性。论文指出，实现[Gr-hBN-Gr]异质结可以通过化学气相沉积结合确定性干法转移技术完成；高质量InSb薄膜可通过分子束外延生长；纳米间隙的精确控制与维持是主要工程挑战，但可采用原子层沉积生长的陶瓷纳米柱、图案化的聚合物支撑结构或悬空膜片等已有实验方案来解决。将石墨烯费米能级调至0.6 eV可通过顶栅介质层静电掺杂或离子液体门控等成熟技术实现。这些讨论表明，所提出的高性能器件架构并非仅停留在理论层面，而是基于当前纳米制造和材料集成技术可以尝试实现的。
结论与展望
综上所述，本工作证实了石墨烯-hBN混合极化子耦合可显著提升近场热光伏系统的能量转换效率。在优化的[Gr-hBN-Gr]夹层发射器与石墨烯-InSb肖特基电池构型中，表面等离子体-声子极化子（SPPPs）有效拓宽了近场辐射的光谱窗口并增强了光子隧穿，实现了54.7%的器件级转换效率与21.6 kW/m²的功率密度。石墨烯费米能级的电学调谐为光谱匹配与性能优化提供了关键自由度。尽管目前基于77K低温运行揭示了其物理极限，但该架构为发展中低温废热回收技术提供了明确范式。未来研究可探索更高温度下保持强极化子耦合的材料体系，并致力于解决纳米间隙稳定集成等工程挑战，推动该技术走向实际应用。
论文信息：K.A. Hasan and E. Rahman, Hybrid polaritons–driven graphene–InSb hot-carrier near-field thermophotovoltaics with hyperbolic metamaterial emitters, Applied Thermal Engineering,Volume 289, Part 2, March , 129816 (2026).
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.129816
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