CN113534315B - 一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构，包括设置于衬底上呈周期排列的若干电磁谐振单元，各电磁谐振单元均分别包括由下至上依次叠设的发射率调控层和介电层，以及周期排布于介电层之上的若干金属柱；发射率调控层是通过在叠设于衬底之上的金属层中嵌入相变材料制得。本发明能够实现在大气透射窗口：3‑5μm和8‑14μm调制发射率，同时增强大气吸收波段5‑8μm的热辐射来主动散热，且具有较宽的发射率调控范围，能够适应多种红外隐身场景。
Description
技术领域
本发明属于红外隐身技术领域，具体涉及一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构。
背景技术
大多数的生物和处于工作状态的仪器，表面温度在20-900℃之间，根据维恩位移定律(λT＝b，其中λ是波长，T是温度，b是维恩常数，b＝0.002897m·K)，热辐射峰值将分布在3-14μm。然而，3-5μm和8-14μm波段是大气透射窗口，窗口内的红外辐射容易穿过大气层被热感相机侦测到。当目标与周围环境的辐射强度存在差异时，通过辐射对比度可以在热成像中识别目标。在红外成像中如何将目标与周围环境融合以躲避红外热探测是一个巨大挑战。红外隐身一般通过减小目标与背景的热辐射强度差异来避免红外探测。由于大多数目标物的辐射强度高于背景，因此通常在目标上使用低发射率材料来降低目标物的辐射强度。在3-14μm波段具有低发射率的各种材料，如贵金属、半导电材料、生物材料、无机/有机复合材料等得到了广泛的研究。然而，传统的低发射材料面临着热稳定性和缺乏发射率调制能力的挑战。
整个波段的低发射率会阻碍目标物的热辐射，长时间的使用将导致目标物的温度上升，反而会引起较高的红外辐射，这与红外隐身的原理是相悖的。由于5～8μm的大气吸收波段的红外信号会被大气吸收而不会被探测到，因此可以在大气吸收波段打开散热窗口。目前周期性金属圆柱-介质层-金属层的超结构得到了广泛的研究，由于其能够在3～5μm和8～14μm两个红外探测波段具有较低发射率以实现红外隐身，同时能够实现在大气吸收波段具有较高发射率以实现散热，，很好的解决了红外隐身和散热的矛盾。
但当环境条件发生变化时，如温度、湿度和太阳强度等发生改变时，环境的红外辐射特征发生变化，不管是低发射率薄膜或者超结构都只具有固定的发射率，这将使目标在动态的背景条件下容易暴露，使隐身失效。因此，构建兼容自适应红外隐身与主动散热的红外隐身器件，显示出很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统低发射率材料热稳定性差和缺乏发射率调制能力的两个问题，结合金属谐振超材料与VO2等相变材料，通过设计超构材料各介质层的材料组成、控制结构尺寸，提供一种兼容热致变发射率和频率选择热发射的红外隐身超构表面器件。本发明能够实现在大气透射窗口(3-5μm和8-14μm)调制发射率，同时增强大气吸收波段(5-8μm)热辐射来主动散热。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构，其特征在于，包括设置于衬底上呈周期排列的若干电磁谐振单元，各电磁谐振单元均分别包括由下至上依次叠设的发射率调控层和介电层，以及周期排布于所述介电层之上的若干金属柱；所述发射率调控层是通过在叠设于所述衬底之上的金属层中嵌入相变材料制得。
本发明的特点及有益效果：
本发明公布了一种兼容热致变发射率和频率选择热发射的红外隐身超构表面器件：设计的金属柱—介电层—金属层结构能够形成反平行电流，引起磁共振，将被隐身物体的红外辐射共振吸收，随后向大气散失掉。共振波段可以通过调节金属柱的尺寸，使热辐射通过5-8μm波段散失，因此不会被热感相机侦测到，不影响器件的红外隐身性能；此外，在金属层中周期性地分布相变材料，入射的热辐射在通过相变材料时，受到相变材料的影响，当相变材料处于半导体态时，由于能隙的存在，热辐射透过相变材料被衬底吸收，引起较高的发射率；而当相变材料处于金属态时，能隙消失，热辐射被反射，产生较低的发射率。因此通过改变相变材料所处的温度，可以改变超结构在3-5μm和8-14μm波段的发射率，实现自调节红外隐身。本发明实施例红外隐身超结构的散热性能是传统低发射率材料的3倍，同时具有较宽的发射率调控范围，0.1-0.41，能够适应多种红外隐身场景。
附图说明
图1是本发明实施例的一种红外隐身超结构的结构示意图。
图2是本发明实施例的红外隐身超结构中谐振单元的剖视图。
图3是本发明实施例的一种红外隐身超结构的光谱特性；其中，(a)和(b)分别是加热和冷却VO2过程中超结构的发射率光谱；(c)是加热-冷却过程中12μm波段的发射率变化曲线；(d)是加热-冷却过程中6.27μm波段的发射率变化曲线。
图4是本发明实施例的一种红外隐身超结构的共振吸收行为的电磁物理特性；其中，(a)和(b)分别是金属柱—介电层—金属层在6.27μm波段的磁场分布和电场分布；(c)和(d)分别是金属柱—介电层—金属层在12μm波段的磁场分布和电场分布。
图5是本发明实施例的一种红外隐身超结构的发射率调制能力的电磁物理特性；其中，(a)和(b)分别是金属柱—介电层—VO2在6.27μm电波段的磁场分布和电场分布；(c)和(d)分别是金属柱—介电层—VO2在12μm波段的磁场分布和电场分布。
图6的(a)和(b)分别是本发明实施例随金属柱直径变化的共振吸收峰及其拟合关系。
图7是本发明实施例的一种具有多共振峰的红外隐身结构与光谱特性。
图8是本发明实施例的一种红外隐身结构的散热性能与普通红外隐身材料的对比。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例的红外隐身超结构，同时具有热致变发射率和频率选择热发射性能，其结构参见图1，包括设置于衬底5上呈周期排列的若干电磁谐振单元，各电磁谐振单元均分别包括由下至上依次叠设的发射率调控层和介电层2，以及周期排布于介电层2之上的若干金属柱1；其中，发射率调控层是通过在叠设于衬底5之上的金属层3中嵌入相变材料4制得。金属柱1、介电层2和金属层3能够形成反平行电流，可以与相应热辐射波段产生磁共振，以此吸收热辐射来进行对外散热，产生共振的热辐射波段可以通过金属柱的直径进行调控；入射的热辐射在通过相变材料4时，当相变材料处于半导体态，由于能隙的存在，热辐射可以透过相变材料4被衬底5吸收，引起较高的发射率，而当相变材料4处于金属态时，能隙消失，热辐射被相变材料4反射，产生较低的发射率。
对本发明实施例的红外隐身超结构中各组成部件的具体实现方式及原理分别说明如下：
金属柱1，设置于介电层2之上，可采用Au、Ag等低发射率的贵金属(发射率不超过0.3)；对金属柱1的截面形状无严格限制，可以为圆形、矩形、菱形或者其他截面形状；金属柱1的直径或边长、高度和间距影响共振的波段，本发明电磁谐振单元的共振波段在5-8μm之间，金属柱1的参考直径或边长范围大致在1-2μm，高度在50nm-300nm之间，间距在3-5μm之间，该参数受金属柱1材料性能的影响。在此范围内，金属柱1可以与介电层2、金属层3在5-8μm波段产生共振吸收。
介电层2，叠设于发射率调控层之上，可采用ZnS、聚酰亚胺(PI)、SiNx等绝缘材料制成；介电层2的厚度受所选材料性能的影响，为了获得在5-8μm波段的共振，一般介电层2的厚度为50-200nm。通过介电层2，可以与金属柱1、金属层3在5-8μm波段产生共振吸收。
发射率调控层，叠设于衬底5之上，是将相变材料4周期性嵌入金属层3中得到。相变材料4采用能够根据隐身物体的温度改变该相变材料的物理性质，以此调节器件的红外发射率的材料制成，如VO2、ZnO、掺锑二氧化锡(ATO)等；金属层可采用Au、Ag等低发射率(发射率不超过0.3)的金属制成，可采用与金属柱1相同或不同的金属；由于入射热辐射的波长在3-14μm波段，为了保证热辐射能够透过相变材料4实现发射率调控，相变材料4的宽度应该在10-20μm之间，相变材料4的厚度不小于80nm、不大于200nm；为了形成反平行电流实现共振吸收，金属层3的宽度不小于相邻两金属柱1的间距，一般为15-25μm，金属层3的厚度在120-200nm之间。
衬底层5，用于为其他结构层提供物理支撑，并对发射率调控层透射的能量进行吸收。可采用SiO2、Si3N4等低红外反射的材料制成。由于衬底5用于吸收红外辐射，因此其厚度一般远高于辐射波长，衬底层5的厚度不低于50μm。
由于器件是周期性结构，图2展示了本超结构的一个电磁谐振单元及其下方的SiO2衬底5的实施例。本实施例的电磁谐振单元，金属柱1采用金柱，节电层2采用ZnS制成，金属层3采用金制成，相变材料4采用VO2，简记为Au-ZnS-Au/VO2，为了获得3-5μm和8-14μm波段的发射率可调，5-8μm波段的高发射率，通过FDTD仿真模拟确定本实施例的结构尺寸。利用FDTD软件模拟一个电磁谐振单元，施加周期性边界条件和3-14μm的入射电磁波，监控器件反射率和透射率；为获得最宽发射率调控范围和最大红外辐射共振峰值，确定电磁谐振单元的尺寸：电磁谐振单元长度和宽度均为p＝18μm，在Au层中嵌入的方形VO2的宽度l＝12μm，Au柱的直径为1.3μm，相邻的Au柱之间的间距为3.0μm，金属柱5、介电层2、发射率调控层和衬底5的厚度分别为h1＝0.1μm，h2＝0.1μm，h3＝0.15μm，h4＝100μm。
通过FDTD仿真模拟得到本实施例器件的光谱特性如图3所示，模拟了加热和冷却VO2过程中器件的发射率光谱。如图3中(a)所示，当VO2的温度从293K升到348K时，器件的发射率在336K以下或345K以上几乎没有变化；但当温度从336K升高到345K时，由于VO2从绝缘状态转变为金属状态，器件的发射率逐渐降低。在VO2从345K冷却到328K时，VO2从金属态恢复到绝缘态，器件的发射率再次增加，如图3中(b)所示。结果表明，随着VO2的相变，器件的发射率可逆变化，调制范围是0.1到0.41。同时，在5-8μm波段存在一个共振吸收峰，在VO2升温和冷却过程中均稳定存在，由于5-8μm的热辐射不会被热感相机检测到，因此隐身目标产生的热量可以通过本器件在该波段辐射掉，同时不影响本器件在其他波段的隐身性能。图3中(c)和(d)分别表征了在加热-冷却过程中12μm和6.27μm波段的发射率变化。由于VO2的热磁滞特性，器件在3-14μm波段上的发射率出现了滞后回线，滞后温度约(3-8)K。
本器件的变发射率特性和共振吸收特性产生的电磁机理如图4所示。器件从结构上可以分为Au-ZnS-Au结构和Au-Zns-VO2结构，分别与共振吸收和发射率调制有关。Au-ZnS-Au结构是传统的Metal–Insulator–Metal(MIM)电磁共振结构。在有热辐射入射时，在Au-ZnS-Au中的电场和磁场分布如图4所示，表征了器件共振吸收行为的电磁物理特性。如图4中(a)所示，在6.27μm波段处，一个强磁场被Au层和Au柱之间的介质ZnS层捕获，这主要是金盘与金柱之间产生反平行电流与入射光的磁场相互作用，激发了磁极化子共振而引起的。同时，金表面的自由电子与入射光的相互作用也激发了表面等离子体激元，电场被局域在金柱表面并延伸至ZnS层中，如图4中(b)所示。磁场和电场的共振引起了对隐身目标6.27μm波长的热辐射的强吸收，导致了较高的发射率。当非共振波段的热辐射入射时，如12μm波长的热辐射，如图4中(c)和(d)，电磁共振相当薄弱，表明对该频段的热辐射不会产生共振吸收行为，因此该器件能够在大气吸收波段具有强吸收和强发射，而不影响对目标其他频段热辐射的吸收。由于在MIM结构的Au层中嵌入了VO2，为了进一步理解器件的光学性质，Au-ZnS-VO2结构中的磁场和电场分布如图5中(a)和(b)所示，Au-ZnS-VO2结构与6.27μm的热辐射产生共振吸收行为。因此，结合了Au-ZnS-Au(MIM)和Au-ZnS-VO2结构的器件不能完全吸收该频段的热辐射，在6.27μm处的发射率会小于1，具体为0.8。此外，尽管相变材料VO2位于器件的第三层，器件仍然表现出红外发射率调制能力。从图5中(c)和(d)可以看出，电场和磁场在ZnS层和VO2中的分布是均匀的，这是因为ZnS层在红外波段基本是透明的，目标的热辐射可以在较小损耗下通过ZnS层进入VO2薄膜。当VO2处于绝缘状态时，部分入射光被Au反射，其余入射光通过透明的VO2绝缘膜后被SiO2吸收，因此器件具有高发射率，具体为0.4。当VO2处于金属态时，大部分热辐射被Au和VO2薄膜反射，发射率低至0.1。
本发明可以通过改变金柱的尺寸和数量，改变反平行电流的磁共振波长，可以实现共振峰的位置和数量的改变。如图6中(a)所示，设各Au柱的间距均为3μm，随着金柱直径从1.1μm增加到1.6μm，波长的峰值位置从5.8μm移动到6.8μm，而共振峰的峰值几乎没有变化。金柱的直径D与吸收峰的位置λp呈线性关系，如图6中(b)所示，拟合得到D-λp方程：
λP＝4.644×D+0.263
在器件的Au柱周期阵列的最小单元内(3×3μm2)，通过增加Au柱的数量，根据λp-D关系设计Au柱的直径，可以在5-8μm波段增加共振吸收峰的数量，进而提高本器件的散热能力。如图7中(a)和(c)所示，当在一个单元内排布两个Au柱，直径分别是1.2μm和1.3μm时，共振峰落5.81μm和6.3μm；如图7中(b)和(d)所示，当在一个单元内排布三个Au柱时，直径分别是1.16μm、1.26μm和1.36μm，共振峰落在5.64μm、6.10μm和6.60μm。
本发明与传统的低发射率材料的区别是在5-8μm波段打开了一个散热的窗口，比较了该器件和普通低发射率薄膜膜在300-400K温度范围内的热辐射能。现有红外隐身薄膜的发射率由参考文献(Huang Z,Zhu D,Lou F,et al.An application of Au thin-filmemissivity barrier on Ni alloy[J].Applied Surface Science,2008,255(5):2619-2622.)得到。如图8所示，当温度从300K升高到336K，本器件的热辐射能增加，到达相变点后器件的热辐射能下降，随后随温度升高，热辐射能再次上升，整体呈N型曲线。同时，现有红外隐身薄膜的热辐射能随温度的升高而单调增加。在整个温度范围内，本发明的热辐射能都高于普通薄膜的辐射能。由于相变前的热辐射能量主要来自于8-14μm波段的热辐射，因此相变前热辐射能不随共振峰的增加而改变；相变后的热辐射能量主要来自共振峰，因此相变后热辐射能量随着共振峰的增加有明显的增长，因此本发明可以通过调节Au柱的个数获得想要的散热能力。由图可得，当器件具有3个共振峰时，相变前器件的散热性能是普通薄膜的4倍以上，相变后是普通薄膜的2.5倍。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构，其特征在于，包括设置于衬底上呈周期排列的若干电磁谐振单元，各电磁谐振单元均分别包括由下至上依次叠设的发射率调控层和介电层，以及周期排布于所述介电层之上的若干金属柱；所述发射率调控层是通过在叠设于所述衬底之上的金属层中嵌入相变材料制得；所述金属柱采用贵金属制成；所述介电层采用绝缘材料制成；所述相变材料能够根据隐身物体的温度改变该相变材料的物理性质；所述金属层采用贵金属制成；所述衬底采用能够对所述发射率调控层透射的能量进行吸收的材质制成。
2.根据权利要求1所述的红外隐身超结构，其特征在于，所述金属柱的横截面尺寸为1-2μm、高度为50-300nm、间距为3-5μm。
3.根据权利要求1所述的红外隐身超结构，其特征在于，制成所述介电层的绝缘材料包括硫化锌、聚酰亚胺和氮化硅。
4.根据权利要求1或3所述的红外隐身超结构，其特征在于，所述介电层的厚度为50-200nm。
5.根据权利要求1所述的红外隐身超结构，其特征在于，所述相变材料选用二氧化钒、氧化锌或掺锑二氧化锡。
6.根据权利要求1或5所述的红外隐身超结构，其特征在于，所述相变材料的宽度为10-20μm，所述相变材料的厚度不小于80nm、不大于200nm；所述金属层的宽度为15-25μm，厚度为120-200nm。
7.根据权利要求1所述的红外隐身超结构，其特征在于，制成所述衬底的材料选用SiO2或Si3N4，所述衬底的厚度不低于50μm。
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