非易失性In3SbTe2发射器，适用于可切换的可见光和红外伪装，并集成了热管理功能

《Optics & Laser Technology》：Non-volatile In 3SbTe 2 emitter for switchable visible and infrared camouflage with integrated thermal management

本研究通过ZnS/Ge/IST多层结构设计，开发了可动态切换多波段伪装材料。该材料在可见光区实现背景融合，MWIR发射率可调范围0.27-0.77，LWIR发射率恒为0.27，同时利用非大气窗口（5-8μm）高发射率实现高效热管理，较传统Ag薄膜降温34.1°C，兼具热稳定性和可扩展性。

　　

Jinlong Huang|Xiuyu Chen|Shuwen Zheng|Mengdan Qian|Chunyu Deng|Yufang Liu

中国河南省新乡市河南师范大学物理学院，红外光谱测量与应用河南省重点实验室，453007

摘要

多光谱检测技术的进步日益挑战传统的静态伪装方法。本文研制了一种基于ZnS/Ge/IST材料的可切换波长选择性发射器，该材料利用了相变材料In₃SbTe₂（IST）。这种发射器能够在可见光（VIS）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段实现伪装调制。其MWIR发射率可在0.77（非晶态IST，aIST）和0.27（晶态IST，cIST）之间动态调节，同时在两种状态下LWIR发射率均保持在0.27。其可见光反射特性使其能够与黄色落叶、砖红色土壤和蓝色天空等背景融为一体。此外，当发射器切换到cIST状态时，在非大气窗口（5–8 μm）内可实现高发射率（ε_5-8μm = 0.80），从而增强辐射散热效果。与相同尺寸的银膜相比，该发射器（cIST）的实际温度降低了34.1°C。红外测试验证了其良好的切换性能、热稳定性和可扩展性。这项工作为结合可见光和红外伪装以及热管理的动态多波段伪装提供了新思路，具有重要的军事、民用和能源应用潜力。

引言

自然界是伪装设计的宝库。许多物种（如章鱼、乌贼和变色龙）能够根据环境线索动态改变颜色和纹理[[1], [2], [3], [4]]。这种能力使它们能够躲避捕食者或伏击猎物，体现了伪装在生存和繁殖中的关键作用。在军事和民用领域，有效的红外伪装需要低发射率与背景辐射的结合[5]。然而，传统的伪装方法通常仅限于单一光谱范围，如可见光[3,6]、中红外[7], [8], [9], [10], [11], [12]或微波波段[13]。随着红外（IR）检测系统的广泛应用，单一光谱方法已无法满足复杂环境的需求[14]。因此，集成可见光和红外技术的多光谱伪装方案在动态和多方面场景中变得至关重要[[15], [16], [17]]。

纳米光子学的进步为伪装技术带来了新的机遇。通过设计和控制微纳结构，研究人员可以操控发射器的热辐射，实现多波段伪装。近期研究探讨了多种功能性微结构和材料，包括光子晶体[[18], [19], [20], [21]]、金属-绝缘体-金属谐振器[[22], [23], [24]]、编码超表面[25]和仿生结构[26]。这些创新旨在通过特定的几何设计和材料组合来调节热辐射。然而，大多数方法都是静态的，缺乏动态可调性[8,18,27,28]，这限制了它们在复杂环境中的有效性。因此，开发具有动态波段切换能力的热伪装技术变得越来越重要。非挥发性相变材料In₃SbTe₂（IST）薄膜在这一领域取得了显著进展[[29], [30], [31]]。IST通过调控光-物质相互作用来实现红外光学特性的自适应调节[32]。与VO₂和石墨烯[7,33]等超材料不同，IST在发生相变后无需持续能量输入即可保持其光学特性。作为一种无损耗电介质，非晶态IST（aIST）在T_c = 300°C时因独特的元价键合而转变为晶态IST（cIST）[34]。这种相变使IST薄膜在红外波段表现出类似金属的特性，从而实现有效的动态多波段伪装。

在本研究中，我们利用薄膜沉积技术制备了这种可切换波长选择性发射器，其结构由ZnS/Ge/IST层组成。该结构具有以下优势：(i) 动态MWIR伪装：通过利用IST的切换特性，发射器的MWIR波段发射率可在ε_3-5μm = 0.77（aIST）和ε_3-5μm = 0.27（cIST）之间灵活调节。(ii) LWIR伪装：无论处于何种状态（aIST或cIST），发射器在LWIR波段的发射率均为ε_8-14μm = 0.27。(iii) 可见光伪装：发射器的反射特性使其能够与可见光范围内的各种背景（380–780 nm）融为一体，如黄色落叶、砖红色土壤和蓝色天空。(iv) 非大气窗口下的热管理：发射器（cIST）在5–8 μm波段具有高发射率（ε_5-8μm = 0.80），有助于散热。与传统银膜相比，样品（cIST）的实际温度降低了34.1°C，显示出优越的热管理性能。(v) 制备简便：膜结构便于大规模生产。红外测试验证了发射器的有效性。制备的aIST样品在MWIR波段具有较高的辐射温度，而cIST样品在该波段的辐射温度较低，表明其具有良好的切换性能。在LWIR波段，aIST和cIST样品均保持较低的辐射温度，确保了有效的红外伪装。此外，cIST样品在150–350°C的温度范围内发射率变化极小，表现出出色的热稳定性。得益于IST相变材料的支持，该发射器能够动态切换多种伪装模式。

结果与讨论

多波段伪装需要深入理解不同光谱带的检测原理，特别是大气窗口如何影响电磁波的探测能力。在红外光谱的大气窗口中，实现MWIR（3–5 μm）和LWIR（8–14 μm）范围内的低发射率对于避免热成像和热寻的导弹的探测至关重要。相反，高发射率可以通过增强散热来提高热稳定性。

结论

总结来说，我们提出了一种集成了多种先进功能的可切换波长选择性发射器：MWIR波段切换伪装、LWIR波段伪装、非大气窗口热管理和可见光伪装。该发射器由ZnS/Ge/IST薄膜组成，各层分别发挥特定功能。通过精确调节顶层ZnS的厚度，发射器可以在可见光谱中呈现多种颜色，从而与不同背景融为一体。

CRediT作者贡献声明

Jinlong Huang：撰写原始稿件，进行正式分析。Xiuyu Chen：研究方法设计。Shuwen Zheng：数据管理。Mengdan Qian：项目监督和概念构思。Chunyu Deng：资金申请。Yufang Liu：资源协调。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A20377）、河南省重点科学基金项目（项目编号：252300421298）、河南省重点研发专项（项目编号：251111210200）、河南省科技厅研究项目（项目编号：242102211089）以及河南省研究生教育改革与质量提升项目（项目编号：YJS2024JD32）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。