Near- and far-field thermal radiation in metamaterials and the development of NF-RT-FDTD algorithm

Abstract

In this dissertation, analysis of near-field regime of thermal radiative transfer in metamaterials supporting surface phonon polaritons (SPhPs) is given. Solutions of electromagnetic fields at subwavelength distances are studied where combined effects of surface waves and total internal reflection, result in enhancement of thermal radiation by orders of magnitude when compared against far-field regime of thermal radiation which is obtainable through Planck's blackbody law. We have developed Near Field Radiative Transfer Finite Difference Time Domain (NF-RT-FDTD) algorithm which is developed based on Finite Difference Time Domain (FDTD) method specifically designed to provide full solutions to near-field radiative transfer problems by solving Maxwell's equations combined with fluctuation-dissipation theory. We have extensively investigated the near- and far-field thermal emission and heat flux profiles in different geometries with corrugations and porosities of various size and shapes and report on our findings which reveals a high degree of accuracy is attainable by NF-RT-FDTD method in complex geometries. We have compared our results against solutions of effective medium theory which makes effective medium theory's ability to provide accurate solutions highly questionable. NF-RT-FDTD could be used to provide solutions for complex geometries with different applications, including energy harvesting with near-field thermophotovoltaics, radiative cooling, thermal sensing, nano manufacturing and medical diagnostics.Bu doktora tezinde, yüzey fonon polaritonlarını (SPhP) destekleyen metamalzemeler içerisinde yakın alanda gerçekleşen ışınım ısı transferi incelenmiştir. Işınım ısı transferinde Plank'ın siyah cisim ışınımı ile tanımlanan uzak alan ışınımına kıyasla, yüzey dalgaları (surface waves) ve toplam iç yansımanın (total internal reflection) etkileşim etkileri nedeniyle mertebeler ölçüsünde artış gösteren ışınım dalga boyundan daha küçük mesafelerdeki elektromanyetik alanların çözümlemesi kullanılmıştır. Yakın alan ışınımının çözümlenmesinde; özellikle Maxwell denklemlerinin dalgalanmalı dağılım teorisi (fluctuation dissipation theory) ile birlikte çözümü sonucu elektromanyetik ve ısıl çözümleri elde etmeyi mümkün kılacak şekilde tasarlanmış sayısal bir yöntem olan Zaman Ortamında Sonlu Farklar Yöntemi (FDTD) temelli sayısal bir yöntem olarak NF-RT-FDTD (Near Field Radiative Transfer Finite Difference Time Domain) algoritması geliştirilmiştir..Çeşitli boyut ve şekillerde oluklar ve gözenekler içeren farklı geometriler için yakın ve uzak alan emisyonu ve ısı akısı profilleri kapsamlı olarak incelenmiş ve bu karmaşık geometrilerin çözümlenmesinde NF-RT-FDTD yönteminin kullanımı ile yüksek doğrulukla sonuç elde edilebildiği saptanmıştır. NF-RT-FDTD yöntemi ile elde edilen sonuçlar, etkin ortam kuramının (effective medium theory) çözümleri ile karşılaştırılmış ve etkin ortam kuramı ile elde edilen sonuçların tartışmaya açık olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak, NF-RT-FDTD yöntemi, yakın alanda termofotovoltaik uygulamalar, ışınımla soğutma, ısıl algılama, nano ölçekte üretim ve tıbbi tanılama gibi uygulamalarda kullanılabilecek karmaşık geometriler için sonuçlar elde etmede kullanılabileceği gösterilmiştir.