飞秒激光表面工程实现钛基超材料中红外热辐射特性的精准调控

本研究通过飞秒激光表面加工（FLSP）技术在钛（Ti）表面构建微纳结构，结合Mueller矩阵椭偏仪（MM-GSE）和有限元建模（FEM）揭示了结构参数（高度/周期/氧化层）与中红外（7.5-14 μm）全向高发射率（≥0.9）的构效关系，为热光伏（TPV）和被动辐射制冷（PTRC）提供了可规模化制备的金属-介质核壳结构超材料平台。

　　

飞秒激光表面加工技术突破热辐射调控瓶颈

1 引言

热辐射特性调控在热管理、能源转换和传感领域具有重大意义。传统方法如多层薄膜和纳米结构存在制备复杂、成本高等问题。飞秒激光表面加工（FLSP）因其单步加工优势，通过钛表面微米级丘状结构的形貌控制，实现了中红外波段（7.5-14 μm）光谱选择性全向高发射率（≥0.9）的突破。

2 制备与表征

采用35 fs/800 nm飞秒激光，通过调节能量密度（0.42-4.31 Jcm^-2）和脉冲数（238-19026次）制备12组样品。扫描电镜（SEM）显示结构高度从4.6 μm增至165.3 μm时，发射率与结构高度呈正相关。Mueller矩阵椭偏仪结合各向异性Bruggeman有效介质近似模型（AB-EMA）解析出Ti-TiO_x核壳界面（TiO_x体积分数13.145±2.93%），其退偏因子q_c=0.01证实了结构沿c轴延伸的半椭球特征。

3 理论建模

有限元模拟揭示关键参数影响规律：高度增加导致1.32 μm处四极子等离子体共振（模式B）红移（斜率0.2）；基底长度（BL）从150 nm增至1500 nm时，水平椭球结构（HES）比垂直结构（VES）辐射方向性提高30%；氧化层使5 μm结构在8 μm和11.25 μm处产生特征峰。散射截面多极分解证实中红外发射主要源于电偶极-介质耦合效应。

4 结果讨论

聚焦离子束-能谱（FIB-EDS）和X射线光电子能谱（XPS）证实FLSP自发形成梯度氧化层（表面TiO_x占比15.9%）。当结构高度＞5 μm时，氧化层介导的等离激元共振使8 μm波段发射率提升至0.91。各向异性结构平面旋转产生14%的辐射调制效应，首次实现FLSP超材料的各向异性热辐射。

5 结论

该工作建立了FLSP参数-结构-辐射特性的定量关系，阐明氧化层介导的共振模式是调控中红外发射的关键机制，为热光伏（TPV）和太阳能热光伏（STPV）系统提供了可规模化制备的钛基超材料解决方案。