基于VO2相变材料的可切换可扩展中红外宽带超表面吸收器及其自适应红外隐身应用

本刊推荐一项基于二氧化钒（VO2）相变材料的动态热辐射调控研究。针对当前红外隐身技术中存在的热管理效率低、背景适应性差等瓶颈问题，研究团队设计了一种可切换、可扩展的中红外超表面吸收器（SEMA）。该结构通过VO2的绝缘体-金属相变特性，实现了中红外波段“隐身”与“非隐身”状态的动态切换，在室温下呈现8-12.1 μm波段的近完美宽带吸收（吸收率>80%），在高温下将吸收峰蓝移至5-8 μm非大气窗口并实现低发射率（<0.3）。该器件具有角度不敏感、偏振无关等优势，为自适应红外隐身、热成像和光电探测器等领域提供了创新解决方案。

　　

在军事侦察和红外制导技术飞速发展的今天，如何让目标物体在复杂热环境下实现有效隐身，成为国防科技领域的重大挑战。传统红外隐身材料往往面临两大困境：一是静态发射特性难以适应动态变化的背景环境，二是高温状态下热积累效应导致隐身效能急剧下降。更棘手的是，红外探测系统的工作波段（3-5 μm和8-14 μm大气窗口）与热管理所需的散热波段（5-8 μm非大气窗口）存在固有矛盾，使得热隐身与热耗散难以兼得。

为解决这一难题，长春师范大学物理学院袁野团队联合河南师范大学红外光谱测量与应用重点实验室，在《iScience》发表了一项突破性研究。他们巧妙利用二氧化钒（VO₂

研究团队采用多层膜系结构设计，通过COMSOL Multiphysics电磁仿真软件进行数值模拟，结合Bruggeman有效介质理论描述VO₂相变过程的光学参数变化，利用LC等效电路模型解析磁极化激元（Magnetic Polaritons）的共振机理，并基于基尔霍夫热辐射定律计算光谱发射率特性。特别值得注意的是，团队建立了温度与折射率的定量关系模型，通过玻尔兹曼函数精确描述了相变过程中的金属相体积分数变化。

结构设计与工作原理

该SEMA采用四层垂直堆叠结构：顶层为周期排列的银立方体阵列（80 nm），作为频率选择表面控制共振波长；其下为SU-8介质层（100 nm），用于激发磁共振并保护功能层；核心层是VO₂相变材料（1.4 μm），通过热致相变实现光学特性切换；底层为氧化铟锡（ITO）衬底（90 nm），与VO₂共同构成反射层。当VO₂处于绝缘态时，结构支持表面等离子体共振与磁共振的耦合效应，在长波红外区形成超宽带吸收；当温度超过相变点（68°C），VO₂转变为金属态，形成金属-绝缘体-金属（MIM）共振腔，吸收带蓝移至5-8 μm波段。

光学性能调控特性

模拟结果显示：在VO₂绝缘态下，SEMA在11.6 μm处达到0.986的近完美吸收，80%吸收带宽达4.1 μm（8-12.1 μm），完全覆盖长波红外大气窗口。相变发生后，吸收峰蓝移5.4 μm至6.2 μm，80%吸收带宽收窄至1.2 μm。更重要的是，大气窗口（3-5 μm和8-14 μm）的平均发射率降至0.3以下，而非大气窗口（5-8 μm）保持0.74的高发射率，完美实现"隐身波段低发射、散热波段高辐射"的智能调控。

电磁场分布与机理验证

通过电磁场分布分析发现：绝缘态下的强电场分布于银层与ITO层之间，形成混合等离子体共振；金属态时电场被限制在SU-8介质层内，产生顺时针环流磁场，证实磁极化激元的激发。研究团队进一步建立LC等效电路模型，准确预测了6.16 μm共振波长（与仿真结果误差仅0.6%），并通过参数化分析证明：通过调节银立方体边长（1-1.4 μm），可线性调控共振波长（λ_c=6.7R-1.76），为定制化设计提供理论指导。

角度与偏振稳定性

研究证实SEMA具有优异的抗干扰性能：在TE偏振下，60°大角度入射仍保持光谱稳定性；TM偏振下虽会激发表面等离子激元（SPPs）导致3-5 μm波段发射率轻微升高，但通过结构优化可有效抑制该效应。这种偏振不敏感特性极大提升了器件在实际复杂环境下的适用性。

热隐身效能验证

通过热成像模拟对比显示：在400 K高温背景下，SEMA在3-5 μm和8-14 μm波段的辐射温度与参考样品（固定低发射率表面）高度一致，成功实现热伪装。同时其5-8 μm波段的高效热辐射使表面实际温度降低显著，解决了传统隐身材料的热积累难题。

该研究首次将VO₂相变特性与超表面结构设计相结合，创造了具有热致自适应功能的红外隐身器件。不仅实现了4.1 μm的超宽带吸收调控，更突破了动态热管理与红外隐身的协同控制难题。所提出的SEMA结构具有制备工艺简单（仅需四层膜系）、光谱调控范围大（5-12.1 μm）、环境适应性好等优势，为下一代智能隐身材料、光学调制器和红外探测器的发展提供了全新思路。特别在军事装备领域，这种能根据环境温度自动切换隐身状态的技术，将使移动装备在复杂热环境下的生存能力获得革命性提升。