In the present work, we check the applicability of the effective medium model (EMM) to the problems of radiative heat transfer (RHT) through so-called wire metamaterials (WMMs)—composites comprising parallel arrays of metal nanowires. It is explained why this problem is so important for the development of prospective thermophotovoltaic (TPV) systems. Previous studies of the applicability of EMM for WMMs were targeted by the imaging applications of WMMs. The analogous study referring to the transfer of radiative heat is a separate problem that deserves extended investigations. We show that WMMs with practically realizable design parameters transmit the radiative heat as effectively homogeneous media. Existing EMM is an adequate tool for qualitative prediction of the magnitude of transferred radiative heat and of its effective frequency band.

1.
D. R.
Smith
and
D.
Schurig
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
077405
(
2003
).
2.
J.
Kim
,
V. P.
Drachev
,
Z.
Jacob
,
G. V.
Naik
,
A.
Boltasseva
,
E. E.
Narimanov
, and
V. M.
Shalaev
,
Opt. Express
20
,
8100
8116
(
2012
).
3.
A. N.
Poddubny
,
P. A.
Belov
, and
Yu. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. A
84
,
023807
(
2011
).
4.
M. A.
Noginov
,
Yu. A.
Barnakov
,
T.
Zhu
,
T.
Tumkur
,
H.
Li
, and
E. E.
Narimanov
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
151105
(
2009
).
5.
A.
Poddubny
,
I.
Iorsh
,
P.
Belov
, and
Yu.
Kivshar
,
Nature Photon.
7
,
948
957
(
2013
).
6.
R. K.
Fisher
and
R. W.
Gould
,
Phys. Rev. Lett.
22
,
1093
1095
(
1969
).
7.
S.-A.
Biehs
,
M.
Tschikin
, and
P.
Ben-Abdallah
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
104301
(
2012
).
8.
B.
Liu
and
S.
Shen
,
Phys. Rev. B
87
,
115403
(
2013
).
9.
S.-A.
Biehs
,
M.
Tschikin
,
R.
Messina
, and
P.
Ben-Abdallah
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
131106
(
2013
).
10.
I. S.
Nefedov
and
C. R.
Simovski
,
Phys. Rev. B
84
,
195459
(
2011
).
11.
M.
Tschikin
,
P.
Ben-Abdallah
, and
S.-A.
Biehs
,
Phys. Lett. A
376
,
3462
(
2012
).
12.
Y.
Guo
and
Z.
Jacob
,
Optics Express
21
,
15014
15019
(
2013
).
13.
S.
Molesky
,
C. J.
Dewalt
, and
Z.
Jacob
,
Optics Express
21
,
A96
A110
(
2013
).
14.
Y.
Guo
,
C. L.
Cortes
,
S.
Molesky
, and
Z.
Jacob
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
131106
(
2012
).
15.
I. S.
Nefedov
,
L. A.
Melnikov
, and
E. I.
Nefedov
,
Proc. SPIE
8771
,
87710
K (
2013
).
16.
C.
Simovski
,
S.
Maslovski
,
I.
Nefedov
, and
S.
Tretyakov
,
Opt. Express
21
,
14988
15013
(
2013
).
17.
M. G.
Mauk
,
Survey of Thermophotovoltaic (TPV) Devices
(
Springer
,
Berlin–Heidelberg
,
2007
).
18.
T.
Bauer
,
Thermophotovoltaics: Basic Principles and Critical Aspects of System Design
(
Springer
,
Berlin–Heidelberg
,
2011
).
19.
F.
Demichelis
,
E.
Minettimezzetti
,
M.
Agnello
, and
E.
Tresso
,
J. Appl. Phys.
53
,
9098
9104
(
1982
).
20.
E.
Rephaeli
and
S.
Fan
,
Optics Express
17
(
17
),
15145
15159
(
2009
).
21.
P.
Bermel
,
M.
Ghebrebrhan
,
W.
Chan
,
Y.-X.
Yeng
,
M.
Araghchini
,
R.
Hamam
,
C. H.
Marton
,
K. F.
Jensen
,
M.
Soljacic
,
J. D.
Joannopoulos
,
S. G.
Johnson
, and
I.
Celanovic
,
Opt. Express
18
,
A314
A334
(
2010
).
22.
C.
Wu
,
B.
Neuner
 III
,
J.
John
,
A.
Milder
,
B.
Zollars
,
S.
Savoy
, and
G.
Shvets
,
J. Opt.
14
,
024005
(
2012
).
23.
D.
Chester
,
P.
Bermel
,
J. D.
Joannopoulos
,
M.
Soljacic
, and
I.
Celanovic
,
Opt. Express
19
(
S3
),
A245
A257
(
2011
).
24.
M.
De Zoysa
,
T.
Asano
,
K.
Mochizuki
,
A.
Oskooi
,
T.
Inoue
, and
S.
Noda
,
Nature Photon.
6
,
535
539
(
2012
).
25.
A.
Lenert
,
D. M.
Bierman
,
Y.
Nam
,
W. R.
Chan
,
I.
Celanovic
,
M.
Soljacic
, and
E. N.
Wang
,
Nature Nanotechnol.
9
,
126
130
(
2014
).
26.
S. M.
Rytov
,
Theory of Electric Fluctuations and Thermal Radiation
(
Electronics Research Directorate, Air Force Cambridge Research Center
,
Air Research and Development Command, U.S. Air Force
,
1959
).
27.
D.
Polder
and
M.
van Hove
,
Phys. Rev. B
4
,
3303
3314
(
1971
).
28.
H. B.
Callen
and
T. A.
Welton
,
Phys. Rev.
83
,
34
49
(
1951
).
29.
R.
Landauer
,
IBM J. Res. Dev.
5
,
183
191
(
1961
).
30.
C. M.
Hargreaves
,
Phys. Lett. A
30
,
491
492
(
1969
).
31.
J. B.
Pendry
,
J. Phys.: Condens. Matter
11
,
6621
6633
(
1999
).
32.
J.-P.
Mulet
,
K.
Joulain
,
R.
Carminati
, and
J.-J.
Greffet
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
2931
(
2001
).
33.
R.
Hillenbrand
,
T.
Taubner
, and
F.
Keilmann
,
Nature
418
,
159
162
(
2002
).
34.
A. I.
Volokitin
and
B. N. J.
Persson
,
Phys. Rev. B
69
,
045417
(
2004
).
35.
K.
Joulain
,
J.-P.
Mulet
,
F.
Marquier
,
R.
Carminati
, and
J.-J.
Greffet
,
Surf. Sci. Rep.
57
,
59
112
(
2005
).
36.
M.
Laroche
,
R.
Carminati
, and
J.-J.
Greffet
,
J. Appl. Phys.
100
,
063704
(
2006
).
37.
K.
Joulain
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
109
,
294
304
(
2008
).
38.
J. B.
Xu
,
K.
Läuger
,
R.
Möller
,
K.
Dransfeld
, and
I. H.
Wilson
,
J. Appl. Phys.
76
,
7209
(
1994
).
39.
E.
Rousseau
,
A.
Siria
,
G.
Jourdan
,
S.
Volz
,
F.
Comin
,
J.
Chevrier
, and
Jean-Jacques
Greffet
,
Nature Photon.
3
,
514
519
(
2009
).
40.
R. S.
Ottens
,
V.
Quetschke
,
S.
Wise
,
A. A.
Alemi
,
R.
Lundock
,
G.
Mueller
,
D. H.
Reitze
,
D. B.
Tanner
, and
B. F.
Whiting
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
014301
(
2011
).
41.
S.
Basu
,
Z. M.
Zhang
, and
C. J.
Fu
,
Int. J. Energy Res.
33
,
1203
1232
(
2009
).
42.
C.
Fu
and
Z. M.
Zhang
,
Front. Energy Power Eng. China
3
,
11
26
(
2009
).
43.
A.
Kittel
,
W.
Müller-Hirsch
,
J.
Parisi
,
S.-A.
Biehs
,
D.
Reddig
, and
M.
Holthaus
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
224301
(
2005
).
44.
T.
Kralik
,
P.
Hanzelka
,
V.
Musilova
,
A.
Srnka
, and
M.
Zobac
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
055106
(
2011
).
45.
P. J.
van Zwol
,
S.
Thiele
,
C.
Berger
,
W. A.
de Heer
, and
J.
Chevrier
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
264301
(
2012
).
46.
B. V.
Budaev
and
D. B.
Bogy
,
Ann. Phys. (Berlin)
523
(
10
),
791
804
(
2011
).
47.
S.
Basu
,
Y.-B.
Chen
, and
Z. M.
Zhang
,
Int. J. Energy Res.
31
,
689
716
(
2007
).
48.
A.
Kittel
,
U. F.
Wischnath
,
J.
Welker
,
O.
Huth
,
F.
Rüting
, and
S.-A.
Biehs
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
193109
(
2008
).
49.
M. I.
Flik
,
B. I.
Choi
, and
K. E.
Goodson
,
J. Heat Transfer
114
,
666
674
(
1992
).
50.
M. D.
Whale
and
E. G.
Cravalho
,
IEEE Trans. Energy Convers.
17
,
130
137
(
2002
).
51.
B.
Wernsman
,
R. R.
Siergiej
,
S. D.
Link
,
R. G.
Mahorter
,
M. N.
Palmisiano
,
R. J.
Wehrer
,
R. W.
Schultz
,
G. P.
Schmuck
,
R. L.
Messham
,
S.
Murray
,
C. S.
Murray
,
F.
Newman
,
D.
Taylor
,
D. M.
DePoy
, and
T.
Rahmlow
,
IEEE Trans. Electron. Dev.
51
,
512
515
(
2004
).
52.
R.
DiMatteo
,
P.
Greiff
,
D.
Seltzer
,
D.
Meulenberg
,
E.
Brown
,
E.
Carlen
,
K.
Kaiser
,
S.
Finberg
,
H.
Nguyen
,
J.
Azarkevich
,
P.
Baldasaro
,
J.
Beausang
,
L.
Danielson
,
M.
Dashiell
,
D.
DePoy
,
H.
Ehsani
,
W.
Topper
,
K.
Rahner
, and
R.
Siergiej
, in
Proc. 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity, TPV6, Freiburg, Germany
(
2004
), pp.
42
51
.
53.
T.
Bauer
,
I.
Forbes
,
R.
Penlington
, and
N.
Pearsall
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
88
,
257
268
(
2005
).
54.
J.
Baxter
,
Z.
Bian
,
G.
Chen
,
D.
Danielson
,
M. S.
Dresselhaus
,
A. G.
Fedorov
,
T. S.
Fisher
,
C. W.
Jones
,
E.
Maginn
,
U.
Kortshagen
,
A.
Manthiram
,
A.
Nozik
,
D. R.
Rolison
,
T.
Sands
,
L.
Shi
,
D.
Sholl
, and
Y.
Wu
,
Energy Environ. Sci.
2
,
559
588
(
2009
).
55.
R. S.
DiMatteo
,
M. S.
Weinberg
, and
G. A.
Kirkos
, US Patent 2001/6232546 B1.
56.
D. M.
Matson
and
R.
Venkatesh
, US Patent 2006/0289310 A1.
57.
P.
Greiff
,
R.
DiMatteo
,
E.
Brown
, and
C.
Leitz
, US Patent 2010/0319749 A1.
58.
A. V.
Kabashin
,
P.
Evans
,
S.
Pastkovsky
,
W.
Hendren
,
G. A.
Wurtz
,
R.
Atkinson
,
R.
Pollard
,
V. A.
Podolskiy
, and
A. V.
Zayats
,
Nature Mater.
8
,
867
871
(
2009
).
59.
S. I.
Maslovski
,
C. R.
Simovski
, and
S. A.
Tretyakov
,
Phys. Rev. B
87
,
155124
(
2013
).
60.
M.
Tschikin
,
S.-A.
Biehs
,
R.
Messina
, and
P.
Ben-Abdallah
,
J. Opt.
15
,
105101
(
2013
).
61.
M.
Silveirinha
,
Phys. Rev. E
73
,
046612
(
2006
).
62.
M. G.
Silveirinha
,
P. A.
Belov
, and
C. R.
Simovski
,
Phys. Rev. B
75
,
035108
(
2007
).
63.
S.
Maslovski
and
M.
Silveirinha
,
Phys. Rev. B
80
,
245101
(
2009
).
64.
M. G.
Silveirinha
,
IEEE Trans. Antennas Propagat.
54
,
1766
1773
(
2006
).
65.
A. V.
Chebykin
,
A. A.
Orlov
,
A. V.
Vozianova
,
S. I.
Maslovski
,
Yu. S.
Kivshar
, and
P. A.
Belov
,
Phys. Rev. B
84
,
115438
(
2011
).
66.
A. V.
Chebykin
,
A. A.
Orlov
,
C. R.
Simovski
,
Yu. S.
Kivshar
, and
P. A.
Belov
,
Phys. Rev. B
86
,
115420
(
2012
).
67.
C. R.
Simovski
,
P. A.
Belov
,
A. V.
Atraschenko
, and
Yu. S.
Kivshar
,
Adv. Mater.
24
,
4229
4248
(
2012
).
68.
J.
Brown
and
W.
Jackson
,
Proc. IEE – Part B: Radio and Electr.
102
,
11
16
(
1955
).
69.
M. A.
Ordal
,
Robert J.
Bell
,
R. W.
Alexander
, Jr.
,
L. L.
Long
, and
M. R.
Querry
,
Appl. Opt.
24
(
24
),
4493
4502
(
1985
).
70.
P.
Yeh
,
A.
Yariv
, and
C.-S.
Hong
,
J. Opt. Soc. Am.
67
(
4
),
423
438
(
1977
).
71.
E. D.
Palik
,
Handbook of Optical Constants of Solids
(
Academic Press
,
San Diego
,
1998
).
You do not currently have access to this content.