一种模块化的基于水的超材料透明窗口，具有双向非对称的多光谱响应特性

《Infrared Physics & Technology》：A modular water-based metamaterial transparent window with bidirectional asymmetric multispectral responses

　　

摘要

透明窗户在提高能源效率、信息交互和电磁防护方面发挥着重要作用。然而，大多数现有的透明窗户设计受到单光谱响应和方向依赖性的限制，这限制了它们在复杂的电磁和热环境中满足多功能需求的能力。本文提出了一种基于水模块化的双向超材料透明窗户，该窗户具有可重构的结构，并通过水和氧化铟锡（ITO）薄膜的模块化集成实现了双向非对称的多光谱响应。得益于水和ITO超表面之间的协同作用，所提出的透明窗户在16.2–71.4 GHz和26.6–94.4 GHz频率范围内，在正向和反向照射下都能实现超过0.9的吸收率。此外，通过加入ITO/Ag/ITO多层薄膜模块，实现了双向非对称的近红外（NIR）和微波响应，该多层薄膜的平均可见光透射率约为68.38%，平均NIR反射率约为76.47%。实验结果与模拟结果吻合良好。另外，通过调整基质层中的水体积分数，可以动态调节微波吸收性能。这项工作为多功能透明窗户建立了一种新的设计范式，将光学透明性与双向非对称的多光谱响应相结合，为在复杂的电磁和热环境中的应用提供了重要的潜力。

引言

随着无线通信技术的快速发展以及绿色建筑概念的广泛应用，透明窗户已经从简单的透光组件演变为集成了电磁调节和能源管理的多功能接口[1]、[2]、[3]。然而，作为室内外环境交换的关键接口，透明窗户不仅提供自然采光，还成为电磁波和太阳辐射进入空间的主要通道[4]。日益严重的电磁污染对建筑物和电子系统的电磁兼容性提出了更高的要求[5]，而占太阳辐射超过50%的NIR能量显著增加了建筑物的热负荷和冷却能耗。因此，在保持可见光透明性的同时，实现能够进行微波电磁调节和NIR热管理的协调多光谱设计已成为智能窗户和建筑节能应用的关键研究方向。超材料和超表面的最新进展进一步展示了它们在多功能电磁操控和多光谱调节方面的潜力[7]、[8]、[9]、[10]，而动态光谱调制和自适应热管理已成为高效光学平台的重要手段[11]、[12]、[13]、[14]。

为了实现电磁调节功能，通常采用ITO薄膜[15]、[16]、石墨烯[17]、[18]、金属网格[19]、[20]和水[21]、[22]。在这些方法中，利用ITO超表面的基于水的透明超材料因其同时具有高可见光透射率和可调微波吸收特性而受到了广泛关注[23]。杨等人[23]提出了一种由ITO超表面和水层组成的超宽带透明超材料吸收器，在9.44–120.92 GHz范围内实现了宽带吸收，显示出在光学窗户应用中的巨大潜力。此外，基于介电/金属/介电（D/M/D）结构的多层薄膜由于具有强大的太阳调制能力而广泛应用于节能窗户设计中[24]、[25]。张等人[26]设计了一种由介电材料和Ag组成的多层薄膜系统，实现了平均NIR反射率为94.7%和可见光透射率为83.2%，从而有效减少了建筑能耗并提高了室内热舒适度。尽管上述研究在单一功能优化方面取得了显著进展，但大多数工作仍然侧重于微波调节和NIR热管理的独立设计，缺乏协调多光谱响应的设计范式。此外，在实际应用中，透明窗户的两侧通常会暴露在不同的电磁和热环境中，而现有结构难以实现方向依赖的多光谱响应。因此，在智能窗户的发展中，实现双向多光谱响应已成为一个亟待解决的挑战。

迄今为止，已经提出了几种实现双向微波吸收的策略[27]、[28]、[29]、[30]。Stephen等人[31]通过相邻图案化金属层之间的非对称共振耦合，在13.40–14.25 GHz范围内实现了超过90%的双向吸收。Ge等人[32]展示了一种基于对称图案化ITO薄膜的透明双向吸收器，可在24.49–34.39 GHz和25.26–34.28 GHz两个频段内工作。然而，这些双向结构大多依赖于高度对称的设计，使得它们对层间对准精度非常敏感，并且在设计自由度和多光谱可扩展性方面存在明显的限制。

在这项工作中，我们克服了传统夹心型超材料吸收器设计框架的局限，提出了一种可灵活组装的基于水模块化的双向超材料透明窗户。关键创新在于通过模块化集成实现了可重构的结构设计和多光谱电磁响应调节。得益于水和非对称图案化ITO超表面之间的协同作用，所提出的超材料透明窗户在正向照射下在16.2–71.4 GHz范围内实现了超过0.9的宽带双向非对称微波吸收，在反向照射下在26.6–94.4 GHz范围内实现了超过0.9的吸收。通过模块化集成和组装ITO/Ag/ITO多层薄膜系统，可以在NIR和微波范围内实现双向非对称的电磁响应。实验结果与模拟结果吻合良好，制造的模块化样品的平均NIR反射率约为76.47%。从能量流动的角度来看，结合多重反射干涉模型，系统阐明了双向吸收背后的能量耗散机制。此外，通过调整水基质层中的水体积比例，可以实现微波吸收的调节。与现有方法相比，所提出的基于水的超材料透明窗户结合了模块化可重构性、双向非对称多光谱响应和光学透明性，为在复杂电磁和热环境中运行的智能透明窗户提供了一种新的设计范式。

章节片段

设计和方法

图1(a)展示了基于流体介质水以及不同形状的ITO超表面设计的具有双向微波吸收性能的超材料透明窗户的示意图。表1展示了单元格的详细结构参数。如图1(b)所示，模块化组装的超材料透明窗户在其两侧表现出不同的电磁响应，其中一侧具有NIR和微波吸收特性。

双向非对称微波吸收性能

如图3(a)–(b)所示，在单光束照射下，所设计的水基超材料透明窗户在10–100 GHz频率范围内表现出极低的透射率。在正向照射下，该水基超材料透明窗户在16.2–71.4 GHz频率范围内表现出超过0.9的吸收率。相应的相对吸收带宽（RAB）约为126%（其中 W_RAB = 2(f_H – f_L)/(f_H + f_L），f_H 和 f_L 分别表示上下频率界限）。

用于实现双向非对称微波吸收的模块化设计

为了实验验证所提出结构的双向微波吸收性能，在220 mm × 220 mm的PET基板上通过磁控溅射沉积了具有50 Ω/sq和100 Ω/sq片电阻的连续ITO薄膜。使用高精度超快激光[36]将连续ITO薄膜蚀刻成由40 × 40个单元格组成的图案化方环和圆环阵列。PMMA介电层以及方环和圆环ITO薄膜

结论

总结来说，本文提出并实验验证了一种基于水的模块化双向超材料透明窗户。通过利用水和图案化ITO超表面之间的协同作用，以及模块化架构设计，所提出的结构实现了宽带双向非对称微波吸收。通过水、ITO超表面和ITO/Ag/ITO多层薄膜系统的模块化集成，实现了双向非对称的NIR和微波吸收。

CRediT作者贡献声明

刘颖：撰写 – 原始草案、验证、软件、方法论、数据管理、概念化。宋志成：撰写 – 审稿与编辑、形式分析、数据管理。王天宇：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、形式分析、数据管理。何宇荣：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的能够影响本文报告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“十四五”期间国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3811600）、哈尔滨工业大学重大项目（项目编号：2023FRFK01002）和中央高校基本科研业务费（项目编号：AUGA5710050924）的支持。

刘颖|宋志成|王天宇|何宇荣

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001，中国