一种可调控中红外热辐射器及其调控与制备方法

本发明涉及多层膜结构热辐射器领域，具体涉及一种可调控中红外热辐射器及其调控与制备方法。

背景技术：

1、随着红外探测技术的快速提升，红外侦察、红外制导、红外成像等地面系统性能不断提高，具备克服不良气候条件和全天候连续工作等能力，导致武器装备以及作战人员的生存受到前所未有的巨大考验。为隐藏物体的红外特征、对抗红外探测，红外隐身技术成为热点研究方向。通常情况下，两个大气窗口为3～5μm和8～14μm时，处于该两个波段范围的中红外光对水和二氧化碳等大气气体的辐射能力比其他波段明显减少，故穿透云雾的能力比其波段更强，此为红外探测技术的主要工作波段。因此，理想的红外隐身技术(如图1所示)要求在这两个波段实现低辐射率以减少物体被红外探测器所跟踪和识别的红外信号，而在非大气窗口的波段5～8μm保持高辐射率以实现辐射散热，提高设备服役的可靠性。

2、通常采用辐射出射度m(λ)来表示物体的红外辐射能力，根据斯特芬-玻尔兹曼定律m(λ)＝δελt4(式中δ是斯特芬-玻尔兹曼常数，ελ为半球光谱辐射率，t为目标温度)可知，调控物体表面的红外辐射有两种方式：调控物体表面温度或辐射率，然而温度调控在实际应用中存在局限性，通过改变辐射率来调控红外辐射更为可行。根据热辐射的基尔霍夫定律，处于稳定状态的物体吸收率和辐射率相等，因此分析器件的热辐射性能可以用吸收情况代替。

3、传统的热伪装技术大多聚焦于全光谱低辐射率涂层，实现目标的红外隐身功能，具备制备简单、成本低等优点，但其结构和材料在制造后维持不变使得热辐射属性保持固定，难以应对复杂多变的背景及物体内部机动时的散热，无法满足自适应红外伪装的需求，因此需要设计出红外辐射性能可调的光子结构。然而，虽然光子晶体、超表面等结构的隐身效果比传统的伪装涂层好，但是要求膜层的厚度增加，制备困难，或需要复杂的光刻等技术手段，使得制备费用昂贵、样品大小受到限制，难以满足实际生产的条件。平面多层膜结构能够弥补上述不足，更适用于灵活的可调热辐射器的设计。

4、近年来，多种静态的可调热辐射器相继被提出：罗先刚院士团队提出用caf2/ge/ni-chrome进行辐射器的设计，底层的金属-介质-金属谐振腔实现谐振吸收，结合上层caf2和ge两种不同折射率的红外透波材料，调制光子禁带实现了优异的宽带可调辐射性能；roberts等基于tin/mgo/tin/si3n4四层膜与f-p振腔设计并制备了一种工作在近红外波段的辐射器，该辐射器在1070k以下可以稳定工作；王军等基于ito透明导电膜的drude模型与zns介质薄膜的透明特性设计了一种透明辐射器，在3～5μm和8～14μm都具有良好的红外伪装效果。然而，上述结构仅有结构参数、材料参数和排列方式是可调的，这些参数一旦确定，其辐射性能很难再发生改变，使得器件光谱的可调自由度较低，隐身性能不灵活。现代的军事、通信等应用场景中，需要材料的热辐射对于多变的背景环境做出实时的响应与调控，可调热辐射已成为一个重要研究方向。因此，器件在峰值辐射率和波长的动态连续调谐方面还有待探索。

5、针对红外辐射性能可调的问题，如果在多层膜系结构中引入可调光学材料，使得该材料能在外场(温度、电场等)作用下光学性质发生可逆变化，则能够形成智能可调的膜系结构。通过掺杂等手段来改变光学材料的相变温度，增加结构红外辐射动态调谐的灵活性。其中，掺杂材料vo2受到了高度关注，其在68℃附近发生可逆金属-绝缘体转变，此时vo2在中红外波段由透明转变为不透明，辐射率降低。vo2的相变易失性且相变时间为皮秒级，这有利于材料红外辐射率的动态调制。vo2相变中间态中出现的金属纳米团簇可视为一种自然、无序的超材料。锗锑碲(gesbte，gst)材料同样具有高吸引力，与vo2结构相变不同的是，通过升高温度gst会在195℃的相变温度附近发生非晶相(agst)向晶相(cgst)的可逆转换，cgst表现为红外损耗，agst则为红外透明。gst的相变具有非易失性，可以在室温下保存多年。此外，有研究表明，在gst体系中，ge8sb2te11的晶相与非晶相在红外波段的光学对比度较高。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明旨在提供一种具有平面多层膜结构的可调控中红外热辐射器及其调控与制备方法，从而实现自适应调谐，辐射率可调自由度高、红外辐射率高、低能耗、结构简单、可设计性强的目的。

2、第一方面，本发明提供了一种可调控中红外热辐射器，所述可调控中红外热辐射器包括：熔融石英或者单晶硅衬底，形成于所述衬底上的ag质背反射层，形成在所述背反射层上的第一相变膜层vo2，形成在所述第一相变膜层上的第二相变膜层锗锑碲ge8sb2te11，以及形成在所述第二相变膜层上的介质层非晶态锗锑碲ge8sb2te11；

3、所述背反射层、第一相变膜层、第二相变膜层和介质层的总厚度小于工作波长的四分之一。

4、较佳地，背反射层厚度为100nm以上，第一相变膜层的厚度为90～100nm，第二相变膜层的厚度为85～95nm，介质层的厚度为170～210nm。

5、较佳地，所述辐射器在3～5μm波段范围的平均辐射率为6％～47.3％；在5～8μm波段范围的平均辐射率为11.5％～83.4％；在8～14μm波段范围的平均辐射率为2％～19％。

6、较佳地，当第二相变膜层锗锑碲与第一相变薄膜层二氧化钒分别处于非晶态与半导体态时，所述辐射器在3～14μm全波段范围内的辐射率均低于17.5％；当第二相变膜层锗锑碲与第一相变膜层二氧化钒分别处于结晶态与金属态时，所述辐射器在6.3μm处的最大辐射率达到99.99％，在5～8μm波段范围的平均辐射率为83.4％。

7、第二方面，本发明提供了一种所述可调控中红外热辐射器的调控方法，包括：将可调控中红外热辐射器放置于外场中，使第一、二相变膜层分别或者同时发生相变来调控所述热辐射器的峰值辐射率、波长及带宽；然后，通过外场改变介质层结晶度来进一步调控热辐射器的峰值波长。

8、较佳地，所述外场包括温度、光照、电场。

9、第三方面，本发明提供了一种所述可调控中红外热辐射器的制备方法，包括：采用真空蒸发镀膜或溅射镀膜工艺在衬底上依次沉积背反射层、第一相变膜层、第二相变膜层、介质层，得到所述可调控中红外热辐射器。

10、较佳地，在沉积膜层前将衬底分别放入丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗，最后用氮气将衬底吹干；每次超声时间为5～25min。

11、较佳地，所述溅射镀膜工艺为直流磁控溅射镀膜或者射频磁控溅射镀膜。

12、有益效果

13、本发明基于相变薄膜的强干涉效应构建的厚度小于λ/4工作波长的辐射器能够实现超薄、良好的热辐射效果，具有高效率、可调、角度不敏感的中红外热辐射性能；

14、本发明提供的中红外热辐射器结构简单，无需复杂的光刻技术，成本低，适于大面积批量化生产，在自适应红外伪装、辐射制冷、红外成像等方面具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种可调控中红外热辐射器，其特征在于，所述可调控中红外热辐射器包括：熔融石英或者单晶硅衬底，形成于所述衬底上的ag质背反射层，形成在所述背反射层上的第一相变膜层vo2，形成在所述第一相变膜层上的第二相变膜层锗锑碲ge8sb2te11，以及形成在所述第二相变膜层上的介质层非晶态锗锑碲ge8sb2te11；

2.根据权利要求1所述的可调控中红外热辐射器，其特征在于，背反射层厚度为100nm以上，第一相变膜层的厚度为90～100nm，第二相变膜层的厚度为85～95nm，介质层的厚度为170～210nm。

3.根据权利要求1或2所述的可调控中红外热辐射器，其特征在于，所述辐射器在3～5μm波段范围的平均辐射率为6％～47.3％；在5～8μm波段范围的平均辐射率为11.5％～83.4％；在8～14μm波段范围的平均辐射率为2％～19％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的可调控中红外热辐射器，其特征在于，当第二相变膜层锗锑碲与第一相变薄膜层二氧化钒分别处于非晶态与半导体态时，所述辐射器在3～14μm全波段范围内的辐射率均低于17.5％；当第二相变膜层锗锑碲与第一相变膜层二氧化钒分别处于结晶态与金属态时，所述辐射器在6.3μm处的最大辐射率达到99.99％，在5～8μm波段范围的平均辐射率为83.4％。

5.一种权利要求1-4中任一项所述的可调控中红外热辐射器的调控方法，其特征在于，包括：将可调控中红外热辐射器放置于外场中，使第一、二相变膜层分别或者同时发生相变来调控所述热辐射器的峰值辐射率、波长及带宽；然后，通过外场改变介质层结晶度来进一步调控热辐射器的峰值波长。

6.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述外场包括温度、光照、电场。

7.一种权利要求1-4中任一项所述的可调控中红外热辐射器的制备方法，其特征在于，包括：采用真空蒸发镀膜或溅射镀膜工艺在衬底上依次沉积背反射层、第一相变膜层、第二相变膜层、介质层，得到所述可调控中红外热辐射器。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在沉积膜层前将衬底分别放入丙酮、乙醇以及去离子水中超声清洗，最后用氮气将衬底吹干；每次超声时间为5～25min。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述溅射镀膜工艺为直流磁控溅射镀膜或者射频磁控溅射镀膜。

技术总结本发明涉及一种可调控中红外热辐射器及其调控与制备方法。所述可调控中红外热辐射器包括：熔融石英或者单晶硅衬底，形成于所述衬底上的Ag质背反射层，形成在所述背反射层上的第一相变膜层VO<subgt;2</subgt;，形成在所述第一相变膜层上的第二相变膜层锗锑碲Ge<subgt;8</subgt;Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;11</subgt;，以及形成在所述第二相变膜层上的介质层非晶态锗锑碲Ge<subgt;8</subgt;Sb<subgt;2</subgt;Te<subgt;11</subgt;；所述背反射层、第一相变膜层、第二相变膜层和介质层的总厚度小于工作波长的四分之一。技术研发人员：章俞之,宋如梦,马佳玉,张焱,吴岭南,宋力昕受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/13