《Materials Research Bulletin》：Bio-inspired metal films with V-shaped grooves for Vis-IR compatible stealth
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基于有限元法模拟与实验探究，设计出具有V形凹槽的Pt薄膜，实现了可见光高反射与红外低发射率的协同隐身特性，解决了传统金属薄膜的隐身波段冲突问题。
Jiao Wen|Qijie Zhou|Qian Guo|Chun Li|Huibo Yan|Jian He|Hui Peng
北京大学口腔医学院与医院中央实验室，北京，100081，中国
摘要
由于目标物体辐射的增加以及检测技术的进步，红外（IR）隐身技术变得尤为迫切。不幸的是，金属薄膜的红外发射率较低，这与可见光（Vis）隐身需求相矛盾。受银蚁的启发，通过有限元方法（FEM）模拟和实验研究了Pt超表面的可见光-红外反射特性。FEM模型显示，带有V形槽的Pt薄膜在可见光波段具有衍射抑制效应，在红外波段具有高反射率。通过在阳极氧化铝（AAO）基底上沉积，制备出了具有凹凸结构的Pt薄膜，其反射光谱证实了在可见光波段的衍射抑制效应以及在3-5 μm波段的高反射率。此外，超表面金属薄膜的可见光-红外反射光谱可以通过调整其厚度和成分来控制。我们的研究提出了一种具有V形槽的超表面金属薄膜，以实现可见光-红外双隐身，这可能有助于开发兼容的隐身技术。
引言
红外（IR）隐身技术通过降低目标物体的辐射强度使其接近背景，吸引了大量的研究和开发工作[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。基本上，所有温度高于0 K的物体都会发射热红外辐射，辐射强度P由目标物体的温度（T）和发射率（ε）决定，正如斯特凡-玻尔兹曼定律所表明的（P=εσT^4，σ是斯特凡-玻尔兹曼常数）[6]、[7]、[8]、[9]。随着工作温度的升高，红外隐身变得越来越重要，因为这对军事和工业目标构成了重大威胁[7]、[10]、[11]、[12]。通过涂层技术调节发射率是一种实用的方法，可以在不改变外形设计的情况下降低红外发射率[13]、[14]、[15]、[16]。金属材料如Ag、Al、Au和Pt具有极低的红外发射率（小于0.1），被广泛用作低红外发射率表面的填充物或薄膜[17]、[18]、[19]、[20]。在抛光超合金上的Au和Au/Ni薄膜在3-5 μm波段的红外发射率为约0.1[20]、[21]。具有优异高温稳定性和抗氧化性的Pt薄膜也在600 ℃下成功应用[19]。然而，金属薄膜的高反射率导致了红外隐身与可见光伪装机制之间的冲突，而由于检测技术的进步，对多波段隐身的需求也在增加[22]、[23]。
已经提出了许多新型红外隐身材料和多层系统的研究，例如相变薄膜、基于MXene的复合材料以及ZnS/Ge/TiO2/Ge2Sb2Te5/Ag薄膜，以实现兼容的隐身[24]、[25]、[26]、[27]。还制造了由碳基薄膜和类似植被的高光谱伪装涂层组成的装置，以实现兼容的伪装[28]、[29]。然而，这些应用直接受到界面粘附力弱或在高温下相稳定性差的限制。幸运的是，基于低红外发射率金属薄膜的微结构设计为多波段伪装提供了另一种选择。超表面是一种超薄的二维结构，由周期性或准周期性散射体阵列组成，在纳米到微米范围内表现出前所未有的性能[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。例如，毫米级的超表面堆栈实现了雷达吸收和低红外发射率[36]，而随机排列的难熔金属纳米谐振器超表面实现了可见光和近红外波段的光场耦合吸收[37]。VO2超表面被设计用于智能灵活的热辐射控制装置，并显示出适应性强热伪装的前景[38]。此外，嵌入SiO2基质中的超细Fe纳米颗粒的无序超表面系统实现了接近完美的紫外线吸收，并在红外波段没有留下热信号[39]。因此，金属薄膜的超表面设计在高温下具有实现可见光和红外波段兼容隐身的潜力。
生物学进化出了特定的微结构以逃避天敌的探测，从自然超表面中吸取经验并调节反射或吸收特性对于多波段伪装至关重要[1]、[40]、[41]。受
翅膀的启发，Zhang等人制造了一种具有宽带微波吸收的薄超结构，用于雷达隐身，并实现了0.43的红外隐身发射率[42]。Galinski从羽毛的纳米结构中获得灵感，开发出了从黄色到蓝色变化的大规模网络超材料，用于可见光隐身[43]。撒哈拉沙漠中的银蚁具有密集的毛发，在可见光和近红外范围内具有高反射率，在中红外范围内具有高发射率。具体来说，三角形毛发可以通过米氏散射散射入射的太阳辐射；而在中红外波段，这些三角形毛发比波长短得多，为表面提供了宽带、宽角度的抗反射特性。此外，反射光谱显示出发射角度的依赖性[44]。银蚁毛发的微结构为金属薄膜的超表面设计提供了模型。在这项工作中，提出了具有V形槽的Pt和Ag超表面金属薄膜，并研究了它们在可见光-红外波段的隐身特性。首先，通过有限元方法（FEM）探讨了V形槽的光学响应，重点研究了槽的几何形状和入射角对散射行为的影响。随后，在不同槽宽度和深度的阳极氧化铝（AAO）基底上通过直流磁控溅射制备了超表面薄膜。接下来，测量了金属薄膜的可见光反射光谱，并检查了其入射角度依赖性。通过在室温下的反射率测量和高温下的辐射强度测量评估了红外隐身性能。超表面薄膜在可见光-红外波段展示了可调节的反射光谱，为高温下的隐身兼容性设计和制造提供了灵感。
章节摘录
FEM模拟
使用COMSOL Multiphysics有限元方法（FEM）软件中的Wave Optics模块进行了光学特性的理论模拟。构建了一个二维模型，上面是空气层，下面是Pt层，在空气/Pt界面处形成了V形槽（图1b）。FEM模型应用了Floquet周期性边界条件（如图1b中的红色箭头所示）。定义了V形槽的宽度（D）和深度（H）
V形槽的FEM模拟结果
首先研究了V形槽的几何参数（包括宽度D和深度H）对Pt薄膜反射特性的影响。槽宽度范围从100 nm到1000 nm，深度设定为400 nm，入射角为0°（与图1b的y轴平行）。图2a显示了D400-H400模型（V形槽宽度为400 nm，深度为400 nm，入射波长为400 nm）的FEM模拟得到的电场分布
结论
总之，受银蚁密集毛发微结构的启发，我们提出了一种具有V形槽的金属薄膜，用于可见光-红外隐身。构建了一个亚微米级的周期性V形Pt模型，FEM模拟显示在可见光波段具有衍射抑制效应，在红外波段具有高反射率。此外，Pt薄膜在可见光波段的反射光谱可以通过V形槽的几何参数和角度依赖性进行调节。
CRediT作者贡献声明
Huibo Yan：项目管理和资金获取。Jian He：软件、资源、资金获取。Hui Peng：写作 – 审稿与编辑、验证、方法论、资金获取。Jiao Wen：写作 – 原稿撰写、研究、概念化。Qijie Zhou：可视化、方法论。Qian Guo：软件、资源、项目管理。Chun Li：监督、资源、项目管理、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）项目编号52371044、燃气轮机科学中心项目编号J2022-VI-0009–0040以及先进材料国家科技重大项目编号2025ZD0609600的资助。
