角度不敏感的多层超涂层，具有双波段选择性发射特性，适用于红外伪装和辐射冷却

《Materials Today Electronics》：Angle-insensitive multilayer metacoating with dual-band selective emission for infrared camouflage and radiative cooling

高效双波段红外发射超材料涂层的电磁局域化机制与伪装应用研究

　　这项研究围绕中红外（MIR）波段的材料设计展开，重点在于开发一种高效的、亚波长级的多层超材料涂层（MMC），以实现中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）两个大气透射窗口（ATWs）的发射调控。中红外波段因其较低的大气吸收特性，被广泛应用于红外伪装和辐射冷却等技术领域。在这些应用中，材料需要在特定波长范围内具有高发射率，同时在非透射窗口波段保持较低的发射率，以减少不必要的热辐射并提高隐蔽性。此外，发射材料还应具备角度不敏感的特性，以适应复杂环境下的实际应用需求。

研究团队提出了一种四层结构的多层超材料涂层，其总厚度约为1035纳米，远小于工作波长的最小值，实现了对中红外波段的高效调控。该涂层由从下到上的Cr（200纳米）、Ge（515纳米）、SiO?（305纳米）和Ti（15纳米）四层构成。通过选择性阻抗匹配设计，涂层在MWIR波段（3–5微米）的平均发射率为0.79，在LWIR波段（8–13微米）的平均发射率为0.83，而在5–8微米的非透射波段，发射率被有效抑制在0.33以下。这一结果通过模拟计算和实验测量得到了验证，表明该多层结构在实现双波段发射调控方面具有显著优势。

研究中提到的电磁场局域化和损耗材料（如Ti和Cr）的特性是实现这种选择性发射的关键。在涂层结构中，电磁波在特定波长范围内被限制在多层结构内部，并通过高损耗材料进行能量耗散，从而产生相应的热辐射。这一机制与基尔霍夫定律密切相关，即在特定波长下，能量耗散对应于热辐射的产生。因此，通过精心设计的多层结构，研究团队成功实现了在两个大气透射窗口内的高发射率，同时在非透射窗口范围内保持低发射率，从而满足了红外伪装和辐射冷却的双重需求。

为了进一步验证该涂层在实际应用中的性能，研究团队设计了两个实验场景。第一种场景是红外伪装，要求涂层在MWIR和LWIR波段表现出高发射率，以与高发射率背景（如人体或高温表面）相匹配，从而实现有效的隐蔽。实验结果显示，与传统的金属参考样品相比，该涂层在红外图像中能够与背景无缝融合，显示出极低的可识别性。第二种场景是利用涂层在两个ATWs中的高发射率实现对深空的辐射冷却，从而降低物体表面温度。实验表明，即使在强非辐射热交换条件下，该涂层仍能实现约9摄氏度的降温效果，其冷却性能随着环境温度的升高而增强，表明其在夜间环境中的潜在应用价值。

研究还指出，该涂层的结构厚度仅为1035纳米，远小于工作波长，这使得其在不同入射角度下仍能保持稳定的发射特性。实验测量显示，即使在70度的入射角下，涂层在MWIR波段的发射率仍维持在0.65，而在LWIR波段则保持在0.72。这种角度不敏感的发射特性使其在实际应用中更具优势，尤其是在面对现代热红外探测系统时，能够有效降低被检测的风险。此外，涂层的制造过程采用了电子束蒸发技术，无需复杂的光刻工艺，这大大降低了生产成本并提高了大规模制造的可能性。

该研究不仅为红外伪装和辐射冷却技术提供了新的材料解决方案，还揭示了多层超材料涂层在实现高选择性发射方面的潜力。通过阻抗匹配设计，涂层能够有效调控电磁波的传播和能量耗散，从而在不同波段内实现所需的发射特性。这种设计方法避免了传统纳米光子结构对高精度制造的依赖，为未来开发更经济、更实用的红外功能材料奠定了基础。

从理论分析的角度来看，研究团队通过有限差分时域（FDTD）方法模拟了电磁场在涂层中的分布情况，并结合转移矩阵法（TMM）进行了发射率计算。模拟结果与实验数据高度一致，进一步验证了该涂层的性能。此外，涂层的发射特性与材料的光学常数密切相关，研究团队还通过红外光谱椭圆偏振法测量了各层材料的光学常数，为后续设计提供了准确的数据支持。

实验部分还包括对样品的结构表征和性能测试。扫描电子显微镜（SEM）图像确认了涂层的结构符合设计预期，而傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）则用于测量不同角度下的反射率和发射率。实验结果表明，该涂层在宽角度范围内仍能保持稳定的发射特性，从而在复杂环境中展现出良好的应用前景。

该研究的成果具有重要的实际意义，特别是在军事隐身、航空航天热管理以及节能建筑等领域。传统的红外伪装技术往往依赖于复杂的结构设计和高成本的制造工艺，而这项研究提出的多层超材料涂层则通过简单的沉积工艺实现了高效的双波段发射调控，为相关技术的推广和应用提供了新的思路。此外，该涂层在夜间辐射冷却方面的潜力也值得进一步探索，尤其是在应对极端环境或高能耗应用场景时，其无需额外能量输入的特性可能带来显著的节能效益。

综上所述，这项研究成功开发了一种高效的、亚波长级的多层超材料涂层，实现了在MWIR和LWIR两个大气透射窗口内的高发射率调控，同时在非透射窗口范围内保持低发射率。该涂层具备角度不敏感的发射特性，适用于复杂的红外环境，并且通过简单的制造工艺降低了成本，为红外伪装和辐射冷却技术的发展提供了重要的技术支持。未来，随着材料科学和光学工程的不断进步，这种多层超材料涂层有望在更多领域得到应用，推动红外技术向更高效、更实用的方向发展。