光子晶体异质结构薄膜用于高温中远红外隐身、辐射冷却与波段选择性雷达透射

《Photonics》：Photonic Crystal Heterostructure Film for High-Temperature Mid-Far Infrared Stealth and Radiative Cooling with Band-Selective Radar Transmission

　　

光子晶体薄膜具有优异的红外辐射调控能力，将其应用于高温目标表面是实现中远红外隐身的一种有效途径。在本研究中，研究人员基于转移矩阵法（Transfer Matrix Method，TMM）设计了一种由Al₂O₃、Ge和HfO₂构成的12层光子晶体异质结构薄膜。实验测量表明，在室温下，该薄膜在中红外波段的发射率为0.181，在远红外波段为0.144，展现出良好的红外隐身性能；同时，在非探测波段（5–8 μm）的发射率为0.475，可实现有效的辐射冷却。随着温度逐渐升高至500 °C，该薄膜结构仍保持良好的红外隐身与辐射冷却性能。此外，理论模拟与实验测量均表明，该薄膜在2–18 GHz范围内表现出优异的透波性能，这使其有望与雷达吸波材料集成，实现多波段兼容隐身。所设计并制备的光子晶体异质结构薄膜为高温条件下的红外隐身策略提供了新的参考。

光子晶体异质结构薄膜在高温中远红外隐身与辐射冷却及雷达透波方面的研究解读

任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体表面辐射出射度与其发射率及绝对温度的四次方成正比，因此高温目标如飞机尾喷管、舰船烟囱和导弹蒙皮极易被红外探测设备发现。红外隐身通常通过降低目标表面发射率或降低绝对温度实现，其中降低发射率因易于实施而得到广泛应用。基于薄膜干涉和阻抗匹配原理，多层膜结构可以通过选择性地调控特定波段的发射率实现红外隐身：在3–5 μm和8–14 μm两个大气窗口（红外探测器工作波段）保持低发射率，使目标融入冷背景；在5–8 μm非探测波段保持高发射率，从而散热并实现辐射冷却。然而，现有采用金属层的多层膜结构虽然能在中远红外实现低发射率，但金属层会阻碍雷达波透射，且超薄金属层对镀膜厚度误差极敏感，在高温下易氧化和退化，限制了多波段兼容隐身和高温应用。全介质光子晶体可避免金属层带来的问题，但多数已有设计仅采用两种材料的四分之一波长堆叠，存在带宽窄、大气窗口抑制不足或高温耐久性有限等缺点。因此，亟需开发一种能够在500 °C高温下同时具备中远红外低发射率、非探测波段高发射率以及优良雷达透波性能的全介质光子晶体结构。

研究人员基于转移矩阵法设计了一种由Al₂O₃、Ge和HfO₂构成的12层光子晶体异质结构薄膜，结构表示为衬底|(A1B)₃A2(CA3)₂C|空气。采用真空电子束蒸发沉积在硅衬底上制备样品，利用扫描电子显微镜（SEM）观察截面形貌。通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量室温及高温下的发射率光谱，搭建高温测试平台获得50–500 °C范围内的发射率曲线，并使用红外热像仪对比样品与高发射率参考样品的表观辐射温度。采用矢量网络分析仪（VNA）在2–18 GHz范围内测量透射系数S21，以验证雷达透波性能。

在微观结构与室温红外性能方面，SEM图像显示薄膜各层界面清晰，厚度与设计值吻合，样品表面光滑无裂纹。室温FTIR测量表明，该薄膜在中红外波段（3–5 μm）的平均发射率为0.181，远红外波段（8–14 μm）为0.144，非探测波段（5–8 μm）为0.475；对应模拟值分别为0.164、0.139和0.643。实际中远红外发射率略高于模拟值，但均低于0.2，表明红外隐身性能良好；非探测波段发射率低于设计值，但差异较小，对辐射冷却影响有限。模拟与实测的偏差主要来源于实际镀膜厚度误差和材料折射率与理论值的差异；但相比超薄金属层方案，本结构对厚度误差不敏感。

在高温度红外性能方面，随着测试温度从室温升高到500 °C，各波段的平均发射率仅轻微增加，中远红外波段仍保持在0.2以下，非探测波段保持在约0.5。光谱曲线形状基本保持不变，说明光子带隙结构在高温下保持完整。Al₂O₃（熔点约2072 °C）、Ge（熔点约938 °C）和HfO₂（熔点约2758 °C）均为耐火介电材料，在测试温度范围内不发生相变或氧化，且沉积后的原位退火有助于释放残余应力，因此薄膜具有良好热稳定性。基于发射率计算的辐照度显示，随温度升高，薄膜在中远红外波段的积分辐照度远低于同温度黑体，而在5–8 μm波段与黑体相近。红外热像仪对比测试表明，在所有加热温度下，薄膜样品的表观辐射温度均低于高发射率参考样品，且随温度增加差异增大，验证了其红外隐身和辐射冷却效果。

在雷达波透射性能方面，仿真计算显示，在2–18 GHz频段，薄膜结构的反射系数最小为?54.6423 dB（2 GHz），最大为?36.8325 dB（18 GHz），对应反射率仅为0.00034%和0.0208%；透射系数最大为?0.00818 dB（2 GHz），最小为?0.00937 dB（18 GHz），对应透射率分别为99.812%和99.784%，接近理想透波状态。实验中通过VNA和喇叭天线自由空间法测得的S21曲线与参考传输基线基本重合，插入损耗极小，证实该薄膜在2–18 GHz范围具有优异的雷达透波性能。由于薄膜为全介质结构，可与底层雷达吸波材料集成，实现雷达红外兼容隐身。

在讨论部分，研究人员将该薄膜与代表性红外隐身辐射冷却研究进行了比较。Qian等制备的多层选择性热发射体在3–5 μm平均发射率为0.16，8–14 μm为0.23，5–8 μm为0.78，但其设计工作温度低于400 °C且未涉及雷达透波；Gu等提出的Mo/Ge四层超材料在3–5 μm和8–12 μm平均发射率均低于0.20，并在5–8 μm具有宽带吸收峰，但金属Mo层阻碍雷达透波且超薄金属层厚度误差敏感；Peng等提出的Ag/Ge多层选择性发射体发射率分别为0.18（3–5 μm）、0.31（8–14 μm）和0.82（5–8 μm），但仅能在200 °C以下工作，且Ag层同样阻挡雷达波。相比之下，本研究提出的全介质Al₂O₃/Ge/HfO₂异质结构膜在中红外波段发射率与上述方案相当（0.181），远红外波段更低（0.144），且无金属层故雷达透波性能优异，并可在500 °C下保持稳定。其代价是非探测波段发射率（0.475）低于含金属方案（0.78–0.82），但通过红外热成像对比验证了其辐射冷却效果。

研究结论部分可概括为：本工作提出了一种新型光子晶体异质结构薄膜。与含超薄金属层的多层膜结构相比，该薄膜具有更好的制造可行性，受厚度误差影响更小。此外，由于不含金属层，该薄膜具有良好的雷达波透射性能，可与雷达吸波材料集成，从而展现出雷达-红外兼容隐身的潜力。与真实雷达吸波材料的集成以进一步验证多波段隐身性能，是未来研究方向。通过理论模拟与实验测量，该薄膜在室温下中红外波段平均发射率为0.181，远红外波段为0.144，可实现良好的红外隐身性能；非探测波段平均发射率为0.475，提供辐射冷却能力。在高达500 °C的多种高温环境下，薄膜保持与室温相似的光谱选择性辐射特性，证实其能在高温下实现红外隐身和辐射冷却。该薄膜具有广阔的应用前景，可为高温红外隐身和多波段兼容隐身提供有价值的解决方案。