基于无机超材料的红外辐射波段拓宽技术及其在辐射制冷中的应用研究

针对无机材料红外辐射波段窄的难题，中国科学院研究人员创新性地设计了一种结合超表面与多层膜结构的方柱超材料(SCMM)，通过局域表面等离子体共振(LSPR)和金属-绝缘体-金属(MIM)腔效应，将辐射波段从8-13 μm拓宽至8-20 μm，发射率提升至92.1%，实测降温效果显著。该研究为航天器及电子设备散热提供了高性能全无机辐射制冷材料解决方案。

　　

随着全球能源消耗激增，辐射制冷（Radiative Cooling, RC）作为一种零能耗散热技术备受关注。无机材料虽具有优异的光热稳定性，但其固有的窄带红外吸收特性（8-13 μm大气窗口）严重制约了散热效率。尤其在航天器和电子设备等特殊场景中，需要更宽的辐射波段（8-20 μm）以实现高效制冷。传统方法如刻蚀多层膜受限于膜厚，而微栅光子结构又存在机械强度不足的问题，如何制备兼具宽波段辐射和强稳定性的全无机材料成为关键挑战。

中国科学院的研究团队在《Journal of Materiomics》发表研究，提出了一种创新的方柱超材料（Square-Column Metamaterial, SCMM），通过光学刻蚀与磁控溅射技术，在Si衬底上构建Si₃
N₄
/Al₂
O₃
/SiO₂
/Si₃
N₄
/Ag多层膜与微米方柱阵列结合的复合结构。该材料利用局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）和金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）腔效应，成功将辐射波段拓宽至12 μm，最高发射率达92.1%，实测最大降温幅度达20°C，为极端环境下的热管理提供了新方案。

关键技术包括：1）紫外光刻与电感耦合等离子体（ICP）刻蚀制备方柱微米阵列；2）多靶磁控溅射沉积Ag/Si₃
N₄
/Al₂
O₃
/SiO₂
多层膜；3）光谱性能测试结合MATLAB模拟计算净制冷功率；4）室内外温差实验验证实际冷却效果。

3.1 SCMM设计原理
通过LSPR和MIM腔协同作用（图2a-b），方柱阵列驱动金属表面自由电子振荡，在8-20 μm波段形成强吸收。多层膜中Si₃
N₄
/SiO₂
/Al₂
O₃
的阻抗失配增强太阳光反射（97-99%），而Ag层则实现全波段反射调控。

3.2 材料表征
SEM显示方柱阵列均匀分布（图3a-c），XRD证实仅Ag晶化（图4a）。光谱测试表明超表面使8-13 μm发射率从82.5%提升至89.4%，16-20 μm波段发射率从44.6%跃升至95.8%（表1）。

3.3 制冷性能调控
通过调节方柱尺寸（a: 边长，h: 高度），实现光谱动态调制：当a=5 μm、h=1 μm时，太阳反射率94.7%，净制冷功率达137 W/m²
（图6）。接触角测试显示超亲水（6°）至疏水（114°）可调，赋予自清洁能力。

温度实验验证
室内IR照射下，SCMM较商用黑体降温10°C（图7d）；北京户外实验中，较Si衬底最大降温9°C（图8b），净制冷功率达257 W/m²
，远超模拟值。

该研究突破了无机材料窄带辐射的限制，通过"刻蚀-镀膜"新工艺和超表面设计，实现了辐射波段12 μm的跨越式拓宽。SCMM的LSPR/MIM腔耦合机制、可调 wettability（润湿性）和优异机械强度，使其在航天热控、电子散热等领域具有重大应用价值。相比现有技术（表2），该材料首次将宽波段辐射、高稳定性与自清洁功能集成于单一系统，为极端环境热管理材料设计提供了范式转变。