論文信息：

YeYuan, Shaopei Wang, Mengdan Qian, Weiying Hou，Switchable and expandable mid-infrared broadband metasurface absorber for adaptive infrared stealth based on VO2 phase change materials, iscience 28, 113547 (2025).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.113547

研究背景

電磁超表面以其在亞波長尺度上對光-物質(zhì)相互作用的強(qiáng)大操控能力，近年來在微納光學(xué)領(lǐng)域引起了極大的興趣。超表面電磁控制在成像、紅外偽裝、偏振轉(zhuǎn)換、輻射冷卻、和光伏等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。輻射光譜主要由材料和結(jié)構(gòu)幾何決定，當(dāng)參數(shù)給定時(shí)，輻射光譜一般是不變的。然而，在現(xiàn)實(shí)中，目標(biāo)的位置可能會不斷變化，導(dǎo)致靜態(tài)隱身目標(biāo)在動態(tài)背景環(huán)境中失敗。相對于固定隱身，變熱隱身技術(shù)具有更強(qiáng)的實(shí)用性和更廣泛的軍事應(yīng)用可能性。近年來，相變材料由于具有可調(diào)諧的光學(xué)性質(zhì)，在動態(tài)熱輻射方面引起了人們極大的興趣。

因此，本研究提出一種熱可切換和可膨脹的超表面吸收體(SEMA)，該吸收器在中紅外(MIR)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)隱身和非隱身開關(guān)功能，在大氣透明度范圍內(nèi)具有發(fā)射率調(diào)節(jié)能力，并在大氣吸收區(qū)間（5-8μm）內(nèi)主動散熱。通過電磁場分布討論了SEMA在VO2金屬狀態(tài)下的選擇散熱，并用LC模型進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，SEMA對偏振方向和入射光的角度表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和魯棒性。同時(shí)，在中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)波長間隔內(nèi)獲得的低發(fā)射率導(dǎo)致輻射溫度顯著降低。

研究內(nèi)容

本研究提出一種熱可切換擴(kuò)展超表面吸收器(SEMA)，用于中紅外(MIR)區(qū)域的隱身與非隱身切換，其結(jié)構(gòu)從上層到下層依次為Ag立方層、SU-8介電層、VO?相變材料層和氧化銦錫(ITO)襯底，各層厚度分別設(shè)定為80nm(Ag)、100nm(SU-8)、1400nm(VO?)和90nm(ITO)，如圖1所示。其中，SU-8層因穩(wěn)定性好，用作保護(hù)層以防止VO?層氧化或損壞；ITO與VO?膜共同作為反射層，加速紅外區(qū)域的共振吸收，且調(diào)整ITO膜厚度對SEMA吸收光譜影響可忽略不計(jì)。最上層Ag方塊的周期(P)和邊長(r)分別設(shè)為1.6μm和1.2μm，Ag方塊陣列作為頻率選擇表面，支持磁共振并控制共振波長。

圖1 SEMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(A)擬議的SEMA的示意圖。(B)單一SEMA結(jié)構(gòu)的側(cè)面描繪

圖2A展示了VO?折射率的實(shí)部隨溫度的變化情況，從圖中可觀察到，在溫度未達(dá)到相變溫度時(shí)，折射率實(shí)部相對穩(wěn)定；當(dāng)溫度接近或超過相變溫度(341K左右)時(shí)，折射率實(shí)部發(fā)生顯著變化，圖2B呈現(xiàn)了VO?折射率的虛部隨溫度的變化,折射率虛部與材料對光的吸收特性相關(guān)，圖中同樣能看到在相變溫度附近，虛部出現(xiàn)明顯波動，反映出VO?在相變過程中對光吸收能力的改變。

圖2 VO2光學(xué)參數(shù)用于模擬VO2在300-373K溫度范圍內(nèi)升溫和降溫過程中的折射率：(A)真實(shí)部分；(B)虛部。

圖3A清晰對比了VO?處于絕緣態(tài)和金屬態(tài)時(shí)SEMA的發(fā)射率變化，絕緣態(tài)下在8-12.1μm波段呈現(xiàn)超寬帶高發(fā)射率(對應(yīng)高吸收率)，80%吸收帶寬達(dá)4.1μm，且在11.6μm處接近完美吸收；金屬態(tài)下發(fā)射率峰值藍(lán)移至6.2μm附近，同時(shí)在5-8μm非大氣窗口保持高發(fā)射率，直觀體現(xiàn)了 SEMA 的光譜切換特性。圖3B展示了SEMA在VO?絕緣態(tài)和金屬態(tài)下，在大氣窗口(3-5μm、8-14μm)和非大氣波段(5-8μm)的平均發(fā)射率。數(shù)據(jù)顯示相變后大氣窗口的平均發(fā)射率顯著降低(3-5μm從0.4降至0.28，8-14μm從0.86降至0.29)，非大氣波段保持高發(fā)射率(0.74左右)，有力證明了 SEMA 在紅外隱身(低大氣窗口發(fā)射率)和散熱(高非大氣窗口發(fā)射率)方面的性能。當(dāng)溫度低于340K(VO?絕緣態(tài))時(shí)，吸收峰主要集中在11.6μm附近，且在中紅外和長波紅外區(qū)域呈現(xiàn)超寬帶吸收；溫度超過340K(VO?開始相變)后，吸收峰逐漸藍(lán)移，最終在金屬態(tài)時(shí)集中于5-8μm波段，清晰展現(xiàn)了溫度對SEMA吸收光譜的調(diào)控作用，如圖3C。

圖3 VO2相變前后SEMA的光譜變化和電學(xué)分布(A)所提出的SEMA的發(fā)射率隨頻率的變化。(B)當(dāng)VO2處于絕緣態(tài)和金屬態(tài)時(shí)，SEMA在大氣窗口和非大氣波段的平均發(fā)射率。(C)VO2相變過程中吸收光譜隨模擬溫度的變化。(d和E)VO2在其絕緣(D)態(tài)和金屬(E)態(tài)對應(yīng)的主諧振波長處的橫截面電場分布

圖4A呈現(xiàn)了不同SU-8厚度(80nm-120nm)下，VO?處于絕緣態(tài)時(shí)SEMA的光譜吸收率。結(jié)果顯示隨著SU-8厚度增加，吸收帶寬逐漸向短波方向拓寬，80%吸收帶寬從2.1μm提升至5.3μm，且保持較高的吸收強(qiáng)度，表明SU-8厚度可有效調(diào)控絕緣態(tài)SEMA的吸收帶寬。圖4B展示了不同SU-8厚度下，VO?處于金屬態(tài)時(shí)SEMA的光譜吸收率?？梢奡U-8厚度增加能提高5-8μm波段的吸收強(qiáng)度，如120nm厚SU-8結(jié)構(gòu)在該波段的吸收率達(dá)97.2%，遠(yuǎn)高于80nm厚SU-8結(jié)構(gòu)的85.3%，說明SU-8厚度對金屬態(tài)SEMA 的吸收性能同樣有重要影響。低溫下，隨著VO?厚度增加，長波紅外區(qū)域的吸收率相應(yīng)提高，在11.6μm處逐漸接近完美吸收，凸顯了VO?厚度對絕緣態(tài)SEMA吸收強(qiáng)度的調(diào)控作用，這一特性對提升紅外熱發(fā)射器和光電探測器性能具有重要意義,如圖4C。

圖4薄膜厚度對SEMA(A和B)光譜吸收率的影響測定了不同厚度的SU-8在(A)和(B)相變前后的SEMA的光譜吸收率。(C和D)相變前(C)和相變(D)后不同VO2厚度的SEMA的光譜吸收率

圖5A展示了VO?處于金屬態(tài)時(shí)，SEMA在6.2μm共振波長處的截面磁場（Hz）分布。圖中可見磁場被限制在SU-8層內(nèi)，形成繞SU-8層中心的順時(shí)針閉合電流回路，這表明磁共振子被有效激發(fā)，是金屬態(tài)SEMA在5-8μm波段產(chǎn)生吸收的關(guān)鍵物理機(jī)制，直觀呈現(xiàn)了磁共振的空間分布特征。圖5C呈現(xiàn)了不同周期邊長（1.0μm-1.4μm）的Ag方塊對應(yīng)的SEMA發(fā)射率。隨著Ag方塊邊長增加，發(fā)射率峰值波長從5μm逐漸移動到7.7μm，而峰值處的發(fā)射強(qiáng)度基本保持不變，表明通過改變Ag方塊邊長可實(shí)現(xiàn)吸收峰的波長調(diào)控，且不影響吸收強(qiáng)度，極大拓寬了SEMA的應(yīng)用范圍。

圖5 理論分析了當(dāng)VO2處于金屬狀態(tài)時(shí)，在6.2μm波長處橫截面上SEMA(A)磁場分布的磁共振。(B)用于預(yù)測SEMA的磁共振波長的LC電路模型示意圖。(C)不同周期邊長的銀塊的發(fā)射率。(D)通過COMSOL仿真和LC電路模型得到了諧振波長與銀塊邊長之間的關(guān)系。

圖6A和B分別展示了VO?處于絕緣態(tài)和金屬態(tài)時(shí)，不同TM偏振入射角度下SEMA的光譜吸收率。當(dāng)入射角超過30°時(shí)，絕緣態(tài)下3-5μm波段因激發(fā)表面等離激元極化激元（SPPs）導(dǎo)致吸收率（發(fā)射率）相對升高；而金屬態(tài)下，即使入射角增大，整體吸收光譜仍保持較好的穩(wěn)定性，尤其是在5-8μm波段的高吸收特性基本不受影響。圖6C分析了T 偏振模式下，VO?處于金屬態(tài)時(shí)不同入射角度對各波段平均發(fā)射率的影響。結(jié)果顯示，即使入射角達(dá)到60°，大氣窗口（3-5μm、8-14μm）的平均發(fā)射率仍保持在0.3以下，非大氣窗口（5-8μm）保持在0.7左右，證明SEMA在TM偏振大角度入射下仍具備良好的紅外隱身和散熱性能。當(dāng)VO?處于絕緣態(tài)（圖6D）和金屬態(tài)（圖6E）時(shí)，不同TE偏振入射角度下SEMA的光譜吸收率。與TM偏振不同，TE偏振下無論VO?處于何種狀態(tài)，大角度入射時(shí)均未出現(xiàn)3-5μm波段的SPPs激發(fā)現(xiàn)象，吸收光譜整體保持穩(wěn)定，各波段吸收特性變化較小。圖6F展示了TE偏振模式下，VO?處于金屬態(tài)時(shí)不同入射角度對各波段平均發(fā)射率的影響。結(jié)果表明，在整個(gè)入射角度范圍內(nèi)（0°-60°），大氣窗口的平均發(fā)射率穩(wěn)定在0.3左右，非大氣窗口穩(wěn)定在0.7左右，進(jìn)一步驗(yàn)證了SEMA在TE偏振下的角度不敏感性，說明其在復(fù)雜偏振和入射角度條件下均能保持穩(wěn)定的紅外隱身性能。

圖6光譜開關(guān)性能與偏振和入射角度的關(guān)系(A和B)絕緣(A)和金屬(B)態(tài)的VO2在不同入射角度下的TE模式下的光譜吸收率。(C)不同入射角對含VO2金屬態(tài)TM模不同譜帶平均發(fā)射率的影響。(D和E)絕緣(D)和金屬(E)態(tài)在不同入射角度下與VO2在TE模式下的光譜吸收率。(F)在含有VO2的金屬態(tài)下，不同入射角對TM模中不同波段的平均發(fā)射率的影響。

圖7A直觀展示了模擬系統(tǒng)的構(gòu)成，包括加熱器、SEMA樣品、參考樣品（RS）以及紅外相機(jī)的探測區(qū)域，明確了模擬的實(shí)驗(yàn)場景和參數(shù)設(shè)定（如背景溫度、探測波段等）,圖7B呈現(xiàn)了SEMA和參考樣品（RS）在3-5μm和8-14μm波段的探測信號強(qiáng)度隨溫度（300K-500K）的變化。低溫時(shí)，SEMA在8-14μm波段的探測信號強(qiáng)度顯著高于RS，處于非隱身狀態(tài)；隨著溫度升高（VO?轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)），SEMA的探測信號強(qiáng)度逐漸與RS趨近，最終在高溫下保持一致，實(shí)現(xiàn)隱身狀態(tài)切換，體現(xiàn)了溫度對SEMA隱身性能的調(diào)控作用。然后分析了SEMA和RS的輻射溫度與實(shí)際溫度（350K-500K）的關(guān)系，如圖7D，兩者的輻射溫度均隨實(shí)際溫度升高而線性增加，但在相同實(shí)際溫度下，SEMA的輻射溫度與 RS接近，且由于其在非大氣窗口的主動散熱作用，在高溫區(qū)域（如450K以上）輻射溫度增長速率略低于RS，進(jìn)一步說明SEMA在保證隱身性能的同時(shí)，具備更優(yōu)的熱管理能力，偽裝效果更穩(wěn)定。

圖7主動散熱改善了中波和中波紅外區(qū)域的偽裝性能(A)溫度和熱模擬示意圖。(B和C)(B)在3-5μm和8-14μm頻段的掃描電子顯微鏡和參考樣品的檢測信號強(qiáng)度。在VO2金屬態(tài)(C)下，給出了本底溫度為400K(D)的中紅外大氣窗口的SEMA和RS的熱像，給出了這兩個(gè)樣品的輻射溫度與其實(shí)際溫度的關(guān)系。

結(jié)論與展望

綜上所述，本研究提出一種由Ag-(SU-8)-VO?-ITO 結(jié)構(gòu)構(gòu)成的可切換擴(kuò)展超表面吸收器（SEMA），通過合理控制激發(fā)溫度，利用VO?相變材料實(shí)現(xiàn)對紅外性能的動態(tài)調(diào)控。VO?的相變使得SEMA能夠在紅外隱身狀態(tài)和非隱身狀態(tài)之間有效切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了吸收帶寬和共振波長的熱可調(diào)性：當(dāng)VO?從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)時(shí)，80%吸收帶寬從4.1μm變?yōu)?.2μm，共振波長從11.6μm藍(lán)移至6.2μm。該基于相變材料的SEMA具有結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)射率可調(diào)、角度穩(wěn)健性好等特點(diǎn)，在自適應(yīng)紅外偽裝和輻射熱管理技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究僅對基于VO?的動態(tài)熱發(fā)射器進(jìn)行了理論模擬，所使用材料的光學(xué)參數(shù)來源于已有文獻(xiàn)報(bào)道。由于實(shí)際制備中薄膜沉積和制造方法的差異，SEMA的實(shí)際光學(xué)參數(shù)和最終光譜發(fā)射率可能與理論結(jié)果存在一定偏差，但該SEMA的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)模型對自適應(yīng)紅外偽裝和輻射熱管理技術(shù)仍具有重要意義。