人工結構紅外選擇輻射體研究進展

王 軍， 張 雷*， 桂博恒， 朱 穎， 屈紹波

(1.陜西省人工結構功能材料與器件重點實驗室，西安，710051; 2.空軍工程大學基礎部，西安，710051)

紅外選擇輻射體在能源和環境等領域中，因其紅外特征可設計、頻率選擇性響應、易于多功能集成等特點而備受關注[1-3]。由于傳統能源不可再生，各國對新能源尤其是太陽能十分重視，希望通過控制物體表面吸收率，加強對太陽能的吸收利用[4]；在航空航天領域中，為實現有效散熱，保障航天器設備性能，通常采用熱管理技術，而選擇輻射體是實現熱管理的有效途徑[5]。

在軍事領域，紅外探測器廣泛應用于制導技術，在打擊精度和抗干擾能力方面發展迅速，給飛行器造成巨大威脅[6-9]。普朗克輻射定律指出，任何物體的溫度只要大于絕對零度(0 K，-273 ℃)都不可避免向外發出熱輻射。在戰場上，各類軍事裝備，特別是處于工作狀態的目標，其紅外熱輻射特征明顯，更容易暴露在紅外探測器下。因此，合理設計的紅外選擇輻射體有助于目標實現紅外偽裝，能夠有效保護武器裝備。

早期研究大多聚焦于低發射率紅外隱身材料與技術，較少考慮環境輻射和自身溫度等因素影響。研究表明，考慮目標紅外隱身與偽裝時，不能盲目降低目標表面發射率，隨著飛行速度的提高，蒙皮氣動生熱的溫度急劇上升，全光譜低發射抑制熱量的耗散反而會加強目標紅外輻射信號[9]。紅外選擇輻射體的引入能夠更好地實現紅外偽裝效能。具體而言，針對目標表面的選擇性輻射功能需求，實現在紅外大氣窗口內的低發射率，利于紅外偽裝；同時，實現大氣窗口外的高發射率，利于散熱。這無論對保護己方軍事裝備還是對隱蔽突防而言，都具有十分重要的戰略意義。

從設計方法來看，選擇輻射體以超材料、光子晶體和多層膜等人工結構為代表。首先，本文主要針對近年來選擇輻射體的設計機理與方法進行了總結。其次，對基于超材料、光子晶體和多層膜的選擇輻射體的設計原理及相關研究亮點進行重點分析。最后，立足于評價體系、工程應用和發展趨勢，剖析紅外選擇輻射體在進一步發展中所面臨的技術難點，為相關領域的發展方向提供建議并進行展望。

1 選擇輻射體原理及分類

1.1 選擇輻射體工作原理

基爾霍夫定律表明，在一定條件下，物體吸收率α等于發射率ε(式(1))，且由斯特藩-玻爾茲曼定律(式(2))可知，物體輻射的能量由表面發射率ε和自身溫度T決定。選擇輻射體能夠通過設計調制光譜發射率分布特征和幅值大小，實現特定的波長選擇輻射的功能。由維恩位移定律(式(3))可知，物體光譜輻射出射度E的峰值對應波長λ與物體熱力學溫度T成反比。因此，常規技術手段實現對特定頻段內輻射出射度E的調控具有一定難度。

α=ε

(1)

E=kεT4

(2)

λT=b

(3)

式中：k為玻爾茲曼常數；b為維恩位移常數。

1.2 設計原理及分類

近年來，國內外研究團隊設計選擇輻射體的方法十分豐富[20-77]，如基于亞波長單元結構的超材料[20-38]、光子晶體[39-55]、多層膜[56-63,73-77]，基于n型量子阱的發射率調制方法[70]等。本文重點介紹基于亞波長單元結構的超材料、光子晶體和多層膜的設計機理與方法。

超材料(metamaterials)作為一類新型人工電磁媒質，由亞波長單元結構按照周期、準周期或者隨機的排布方式構成，繼承了自然材料的部分特性并獲得超越自然材料的電磁特性。自2008年Landy提出超材料完美吸波體，超材料可設計的電磁調制特性激發了研究者們在各個領域的探索興趣。在紅外波段，通過超材料等效電磁參數的設計可實現對吸收率的靈活調控[10]。

光子晶體(photonic crystal)是由具有不同折射率的介質材料在空間按一定的周期排列所形成的一種人工結構晶體，其光子禁帶對入射電磁波具有高反射率，能夠有效改變目標的輻射特性[11]。按照介質材料排列的空間結構，可分為一維、二維和三維光子晶體[12-18]。

多層膜(multilayer film)由不同介質按照一維非周期的形式疊加而成。依據機理不同，可有不同的設計方案，具有膜層厚度可設計性強、結構簡單、便于大尺寸制備等特點。例如，通過對層數及膜系材料的優化設計，可增強進入膜內的電磁波，并結合法布里-珀羅諧振腔原理，當紅外波段電磁波進入多層膜后，在層內金屬膜之間不斷反射，從而使特定波段處電磁波發生干涉相消的現象，導致該波段處反射率極低，產生吸收峰[19]。

2 紅外選擇輻射體研究現狀

2.1 基于亞波長單元結構的超材料紅外選擇輻射體

2010年，美國波士頓大學Liu等首次提出并驗證了紅外超材料完美吸波器。小組利用十字結構調節電場，并控制亞波長單元結構與底層金屬背板之間的距離而獨立調控磁場，通過調控電磁諧振的幅度與頻率位置，實現吸波體與自由空間的阻抗匹配，并成功在6 μm處調制出高吸收峰[20]，其結構圖及吸收效果如圖1所示。2011年，該小組利用面內多尺寸結構設計理念，在一個單元結構內，設計了2種尺寸的十字結構，成功在6.18 μm和8.32 μm處調制出2個窄帶吸收峰，實現多峰調制[21]。

圖1 首個紅外超材料吸波器結構及效果示意圖[20]

2012年，Cui等提出了一種三維鋸齒狀的各向異性超材料寬帶紅外吸波體，見圖2(a)，較長波長的紅外吸收對應鋸齒的下部，較短波長的紅外吸收對應劇場的上部，疊加以實現寬帶紅外吸收[22]。2015年，電子科技大學鄧龍江團隊根據等效電路模型，利用不同折射率的介質在縱向上構成夾層超材料結構，見圖2(b)，提出一種大角度寬帶紅外選擇輻射/吸收體[23]。2017年，本課題組利用氮化硅進行面內多尺寸結構設計，見圖2(c)，實現了廣角極化不敏感的選擇性輻射功能，其在5.5～7.6 μm為高發射，其余中紅外波段為低發射[24]。

圖2 基于亞波長單元結構的超材料寬帶選擇輻射體

2016年，日本國際材料納米結構中心基于局域等離激元超材料思想，利用鉬和氧化鋁，設計并制備了耐高溫紅外選擇輻射體。溫度在1 000 ℃真空環境中，其位于6 μm處的發射峰保持穩定，并且可通過改變結構參數，實現在3～8 μm范圍內發射峰調控[25]。

2017年，韓國延世大學設計了基于Ag/PI/Ag的面內亞波長單元結構周期陣列，見圖3(a)，利用局域等離激元效應和磁偶極子諧振實現了在1.54 μm和6.2 μm處的雙波段選擇輻射效果[26]。2017年，羅先剛團隊利用局域表面等離激元諧振與亥姆霍茲諧振效應，提出了可在1.06 μm和10.64 μm處大角度吸波且紅外探測波段為低發射的設計，給出了激光-紅外兼容隱身的方案[27]。2018年，哈爾濱工業大學提出了基于全金屬可實現紅外和激光兼容隱身的三維立體結構設計方案[28]。2020年，浙江大學李強和西湖大學仇旻團隊提出了一種基于Si/GST/Au的簡單光子結構，見圖3(b)，實現了輻射冷卻并在可見光、10.6 μm激光處和大氣窗口多個波段內實現兼容偽裝[29]。

2018年，韓國延世大學團隊利用分層超材料概念，運用金、硫化鋅、FR-4和銅,分別研制紅外選擇輻射體和微波頻選，見圖3(c)，整合后實現了紅外和微波兼容吸波[30]。2019年，其團隊設計和制備了一種基于Au/ZnS/Au的面內亞波長單元結構周期陣列的紅外偽裝選擇輻射體，并從熱平衡與輻射能量比的角度提出了選擇輻射體紅外偽裝性能評價體系。此評價體系可實現最優化偽裝效果的超材料紅外選擇輻射體設計[31]。同年，羅先剛院士團隊利用ITO薄膜和PVC基板，研制出柔性透明的紅外雷達兼容隱身結構，其微波吸波的角度穩定性在0°～40°，7.7～18 GHz的反射率均在-10 dB以下，通過設計ITO薄膜的占空比，使紅外波段發射率整體小于0.23，實現了紅外隱身效果[32]。

圖3 多波段兼容偽裝結構及效果對比圖

基于亞波長單元結構的超材料紅外選擇輻射體的發展趨勢由寬帶沿高溫、多頻譜兼容以及動態可調的方向發展[33-36]。2017年，印度科技研究所則利用ITO薄膜與VO2的相變特性，實現了發射率幅值大范圍調控的功能[37]。2018年，美國中央佛羅里達大學提出了基于相變材料VO2的自適應多波段紅外偽裝方法，并首次提出紅外編碼加密技術[38]。

2.2 基于光子晶體的紅外選擇輻射體

1987年，Yablonvitch[39]發現了光子帶隙(PBG)并建立了相關理論基礎，John[40]隨后基于此提出光子晶體這一概念，通過對不同折射率的材料進行周期性排列實現對材料光子帶隙的調制，可得到具有特定禁帶的功能型光子晶體。光子晶體根據其結構單元的空間維度可以分為一維、二維和三維光子晶體。

國外關于光子晶體的研究早于國內，1998年Fink等[41]利用聚苯乙烯薄膜與碲薄膜周期性的交錯堆疊制備出一維光子晶體，其禁帶被設計在10～15 μm，首次通過一維光子晶體實現了人工結構的寬帶選擇輻射體。在紅外偽裝方面，2001年，Temelkuran等[42]利用聚乙烯和碲薄膜制備了一維光子晶體，其兩個光子禁帶分別在4.5～5.5 μm和8～12 μm實現高反射，得到了雙波段紅外偽裝選擇輻射體。2013年，Arpin等[43]用鎢(W)和硼化鉿(HfB2)制備得到反蛋白石結構的三維光子晶體，在2～5 μm設計了低發射率，其在1 400 ℃高溫下仍具有較好的熱穩定性，成果將光子晶體的研究推廣到高溫紅外偽裝領域。2015年，德國漢堡理工大學Eich團隊利用鎢(W)和二氧化鉿(HfO2)的一維光子晶體結構制備了一種用于熱光伏系統的選擇輻射體，驗證了其在1 000 ℃下的光譜性能[44]。其團隊在2019年對此結構進行設計與制備等方面的改進，耐溫可達1 400 ℃，為耐高溫一維光子晶體的發展奠定了基礎[45]。Teyssier[46]在2015年發現變色龍皮膚微結構排列呈現光子晶體的特性，從仿生的角度解釋了變色龍皮膚隨周圍環境改變而改變的主動偽裝行為，同時證明了光子晶體在多頻譜偽裝領域的潛力。

國內紅外偽裝選擇輻射體發展較慢，通過對材料工藝的不斷摸索，確定了一系列以ZnS、ZnSe和Ge等寬帶紅外透波材料為主的光子晶體材料體系，常用紅外透波材料參數如表1所示。表1對常用的紅外透過材料的能隙、短波截止極限以及通帶做了一個簡要的總結，其中，短波截止限λmin可以根據λmin=1.24/Eg計算得到，Eg為能隙。

表1 常見紅外透波材料

2014年，南京航空航天大學徐國躍團隊[47-48]對ZnS/Ge一維光子晶體的選擇輻射特性進行了設計(圖4(a))，分別針對單可探測窗口(3～5 μm)和多窗口(3～5 μm和8～14 μm)具有低的平均發射率，并且在5～8 μm非探測窗口實現散熱功能。

2015年，華中科技大學龔榮洲團隊基于ZnS/Ge設計制備了一種一維光子晶體[49]，并驗證了其具有良好的微波透過特性，為ZnS/Ge材料體系實現多頻譜兼容提供思路。2016年，龔榮洲教授團隊用ZnS/Ge更輕薄的厚度和靈活控制頂層ZnS厚度制備了不同顏色的工作在3～5 μm波段的紅外選擇輻射體，以實現與可見光偽裝的兼容[50]。

2016年，電子對抗學院時家明等通過摻雜Si薄膜的方法提出一種一維摻雜Si膜的ZnSe/Te光子晶體[51]實現了針對激光和雙可探測窗口的紅外偽裝選擇輻射體(圖4(b))。2017年，其團隊在Ge/ZnS光子晶體內引入Si薄膜[52]提出一種基于一維摻雜結構光子晶體實現了紅外-激光-雷達兼容隱身。2019年，其團隊對ZnSe/Ge體系進行可見光-紅外兼容偽裝設計優化[53]，提出的雙波段紅外偽裝選擇輻射體的厚度被進一步優化到7.8 μm。2021年，華中科技大學龔榮洲團隊制備了一種一維類光子晶體并覆蓋相變材料薄膜GST，此類光子晶體具有自適應紅外偽裝的效果[55]。

圖4 一維光子晶體紅外選擇輻射體結構

對近年來國內基于一維光子晶體實現紅外偽裝的人工結構選擇輻射體總結見表2。

表2 基于一維光子晶體實現紅外偽裝的人工結構材料選擇輻射體

2.3 基于多層膜的紅外選擇輻射體

多層膜基的選擇輻射體有兩種實現方式，一是與光子晶體類似利用PBG設計光子禁帶實現選擇輻射(不具備周期性結構特點)，二是利用波束在諧振腔內的諧振來實現選擇輻射特性，常見的諧振腔有金屬-介質-金屬諧振腔(metal-dielectric-metal cavity)與法布里-珀羅諧振腔(Fabry-Pérot cavity)等[56-63,73-77]。

2018年，龔榮洲團隊利用不同頂層厚度的ZnS以及四分之一薄膜理論，將ZnS/Ge多層膜進行迷彩圖案化，實現了一種紅外和可見光兼容的迷彩，此多層膜突破了光子晶體周期性堆疊的結構局限[56]。2019年，中科院上海技物所利用PbS/Ge和ZnSe/Ge材料體系設計了一種高效的選擇輻射體，8～14 μm平均發射率低于0.03，5～8 μm發射率峰值可達0.95[57]。2020年，浙江大學李強和西湖大學的仇旻團隊基于Ge/ZnS多層膜的禁帶調制實現了紅外偽裝和高效熱管理，用更少的膜層(圖5(a))實現了3～14 μm的雙波段紅外偽裝以及選擇輻射，并結合二氧化硅氣凝膠的隔熱性能進一步降低了目標紅外輻射信號[58]。此外，其團隊在2021年基于Ge/ZnS的多層膜不僅實現了3～14 μm的選擇輻射偽裝，還實現了兼容10.6 μm的激光吸收和可見光變色偽裝，并結合雷達吸波超材料實現了多頻譜的兼容偽裝[59]。

對于選擇輻射的設計不限于對光子帶隙的調制。2018年，羅先剛院士團隊提出用CaF2/Ge/Nichrome進行選擇輻射體的設計(圖5(b))，底層的金屬-介質-金屬諧振腔實現諧振吸收，結合對上層CaF2和Ge兩種不同折射率的紅外透波材料調制光子禁帶實現了優異的寬帶選擇輻射性能[60]。國防科技大學劉東青發現了超薄銀膜的特殊輻射特性，利用橢圓偏振儀測得超薄銀膜(10 nm)和Ge的紅外光學參數，設計了一款4層膜紅外偽裝選擇輻射體[61]。由于超薄Ag膜的透過與損耗特性，結合底層的反射Ag層(40 nm)形成了Ag-Ge-Ag的微諧振腔。Roberts等基于TiN/MgO/TiN/Si3N44層膜與法布里-珀羅諧振腔設計并制備了一種工作在近紅外波段的難熔紅外選擇輻射體，該選擇輻射體在1 070 K以下可以穩定工作[62]。2021年，本課題組基于ITO透明導電膜的Drude模型與ZnS介質薄膜的透明特性設計了一種透明選擇輻射體(圖5(c))，在3～5 μm和8～14 μm都具有良好的紅外偽裝效果，可見光波段的平均透過率可達65%以上，可實現可見光與紅外的兼容偽裝，并從輻射能量的角度評估出偽裝性能在隨溫度和厚度等參數的變化方面具有魯棒性[63]。

圖5 多層膜選擇輻射體結構

對近年來基于多層膜的紅外偽裝人工結構選擇輻射體做以下總結，如表3所示。

表3 基于多層膜實現紅外偽裝的人工結構材料選擇輻射體

綜上，基于超材料的選擇輻射體能夠實現對電磁輻射的精確調控，其局限性主要體現為大規模制備工藝復雜和成本較高；基于一維光子晶體的選擇輻射體無面內結構，并且適合與微波隱身材料相兼容以實現多頻譜兼容，其局限性在于膜層過多，膜層厚度均勻性和層間粘結力需要進一步提高；基于多層膜的選擇輻射體具有適合大規模制備的特點，其局限性主要體現在設計的靈活性較低，并且對材料體系的選擇有更高的要求。

3 當前技術難點及展望

目前通過超材料、光子晶體和多層膜的設計方法，雖然一定程度上實現了控制紅外發射率的功能，但立足效果驗證、工程應用與發展趨勢3個角度，選擇輻射體仍有以下問題需要解決：

1)從效果驗證的角度看，紅外選擇輻射體的偽裝效果可以在紅外攝像機下通過與對應全光譜非選擇性發射率材料進行對比得到，具有散熱窗口的選擇輻射體具有更優越的熱偽裝性能。通過采用具有更低發射率的非選擇性材料同樣可以實現減弱紅外特征的效果，但是當溫度升高又會引起全光譜低發射率材料的偽裝性能減弱，因此實際性能的驗證上仍需要進一步完善。

2)從工程應用角度看，目前人工結構紅外選擇輻射體有超材料、光子晶體和多層膜3種實現手段。其中，超材料對光譜發射率的調制最為出色，但是亞波長面內結構需要光刻等成本較高的微納加工技術，成本高且不利于大規模制備；光子晶體的設計方法，不僅需要選擇合適材料體系，而且常用的鍺等半導體材料價格昂貴，應用成本會大大能加。此外，一維光子晶體膜層較多，大規模制備過程中對膜層穩定性和厚度均勻性提出了更高的要求；多層膜相對較少的層數和較薄的厚度便于大面積制備，具有一定的工程應用前景，在材料體系的遴選、設計和工藝優化等方面需要更深入的研究。

3)從未來發展看，當前紅外選擇輻射體多是在相應波段實現靜態調制，目標光譜特性不會隨著環境變化而變化，功能局限性較大。針對不同背景對發射率光譜進行智能化的動態調控(主動/被動)是未來發展方向，尤其是相變材料[24,31,63-66]、可調諧超材料[67-69]以及電致變發射率器件[70-72]在光譜調諧方面已有一定的研究成效，但是將選擇輻射體發射率的動態調控應用于紅外偽裝方面仍需要進一步研究。

4 結語

國內外研究團隊對選擇輻射體研究成果應用廣泛，通過超材料、光子晶體及多層膜的設計方法實現了太陽能高效吸收、輻射冷卻及紅外偽裝等功能。隨著人工結構紅外選擇輻射體的進一步研究，其設計和制備成本可以進一步降低，意味著紅外選擇輻射體可以具有更加普遍的應用。隨著未來智能化發展趨勢，具有光譜可調特性的人工結構紅外選擇輻射體有著更豐富的應用前景。