Кратко — при переходе от макроскопических тел к нанокорпусам спектр теплового излучения перестаёт описываться простой планковской кривой: он становится модово‑ и резонанс‑зависимым, узкополосным, направленным и может как усиливаться (сверхлучистость в ближнем поле), так и подавляться в отдельных диапазонах.

Что меняется (основные эффекты)

Планковский предел применим, когда размеры >> тепловой длины волны. Планковская спектральная плотность (по частоте) даётся формулой
[
B_\nu(T)=\frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/(kB T)}-1}.
]
При размерах порядка тепловой длины волны (\lambda{th}) или меньше — наблюдается отклонение. Оценочная тепловая длина волны
[
\lambda_{th}\sim\frac{\hbar c}{kB T}\quad(\text{при }T=300\ \mathrm{K}\ \lambda{th}\approx7.6\ \mu\mathrm{m}).
]Квантовая размерная дискретизация: у наночастиц возникают дискретные оптические/вибрационные моды (квантование фото‑ и фононных состояний), что приводит к пиковому (линейчатому) спектру вместо непрерывного.Изменение плотности фотонных состояний (PDOS) и эффект Перселла: скорость излучения/поглощения модифицируется соотношением объёма/качества резонатора. Прикидочно
[
F_P\sim\frac{3}{4\pi^2}\frac{Q}{V}\left(\frac{\lambda}{n}\right)^3.
]Поверхностные резонансы: локализованные поверхностные плазмоны (металлы) и поверхностные фонон‑поляритоны (полярные диэлектрики) дают узкие сильные линии излучения в ИК/ближнем ИК.Геометрические резонансы (миевые/антенные эффекты, фотоволновые моды в наноструктурах, фотонные кристаллы, метаповерхности) — управляют спектром и направленностью.Нелокалность и конечная проводимость: для очень малых металлов нарушается классическая диэлектрическая функция, смещаются и демпфируются резонансы.Изменение фононного спектра и тепловой проводимости: квантование фононов влияет на инфракрасную эмиссию, может приводить к подавлению/переконцентрации излучения.Ближнее поле: при малых зазорах (доли микрометра и меньше) радиационный теплообмен может превышать чёрнотельный предел (super‑Planckian) за счёт туннелирования поверхностных волн; поток становится сильно зависимым от расстояния и модовой структуры.

Последствия для эмиссии

Спектральная селективность: узкие полосы, совпадающие с резонансами (LSPR, SPhP, фотонные резонаторы).Направленность и когерентность: структурированные наноповерхности дают узконаправленное и частично когерентное термоизлучение.Изменение интегральной мощности: для одиночного наночастицы общая излучаемая мощность не обязательно следует (P/A=\sigma T^4) — плотность излучения зависит от модового состава и эмиссивности.Возможность сверхпланковского обмена в ближнем поле между наноструктурами.

Как это используют в термоэлектрических и фотонных устройствах

Термофотovoltaика (TPV): создание селективных излучателей, согласованных с полосой приёмника (PV‑ячейки), повышающих КПД за счёт уменьшения излучения в нефункциональных диапазонах и концентрации потока в полезном спектре. Наноструктуры/метасурфейсы реализуют узкополосные, температурно‑устойчивые излучатели.Ближнепольная TPV: использование супер‑Планковского теплопереноса через нанозазоры для значительного увеличения плотности генерируемой мощности.Термоэлектрические модули: инженеры уменьшают нежелательные радиационные потери (с помощью нанопокрытий/излучателей) и управляют распределением спектра для снижения потерь и повышения рабочей разницы температур; локальное плазмонное нагревание может повысить локальную генерацию носителей.Тепловые фотонные устройства (излучатели, детекторы, радиаторы): метаповерхности и фотонные кристаллы создают узкополосные источники ИК/ТГц, микроскопические термоизлучательные антенны, когерентные источники для спектроскопии и датчиков.Управление охлаждением и радиационными обменами: селективные излучатели/поглотители для радиационного охлаждения или управления температурой при nanoscale.Тепловые диоды/ректоры и логические элементы: асимметричные наноструктуры и нелинейные резонансы дают контроль направления и величины теплового потока (терморектфикация).

Практические инструменты и реализации

Наночастицы с LSPR (Au, Ag), наноструктуры из SiC/BN (SPhP) для узкополосного ИК‑излучения.Метаповерхности, фотонные кристаллы и резонаторы для спектрального и углового управления.Ближнепольные зазоры между нагретым излучателем и фотоприёмником в TPV для повышения мощности.

Краткий итог

При уменьшении размеров ключевые факторы — модовая дискретизация, изменение PDOS, поверхностные резонансы, квантовые эффекты материалов и ближнепольный теплообмен — радикально меняют спектр теплового излучения. Эти эффекты используются для создания селективных, направленных и высокоэффективных термофотонных и термоэлектрических систем.