《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Heterogeneous phase-change device for multispectral programmable camouflage and thermal management
编辑推荐：
•通过使用具有定制光学响应的相变异质结构，实现了可见光、红外和激光波段的宽带协同。•GST的激光诱导重构实现了对可见光和红外发射率的可编程空间图案化。•通过独立的相控制，实现了四种非易失且可逆切换的红外发射状态。•集成了MOPSO-CD与TMM的逆向设计框架产生了帕累托最优的
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通过使用具有定制光学响应的相变异质结构，实现了可见光、红外和激光波段的宽带协同。
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GST的激光诱导重构实现了对可见光和红外发射率的可编程空间图案化。
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通过独立的相控制，实现了四种非易失且可逆切换的红外发射状态。
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集成了MOPSO-CD与TMM的逆向设计框架产生了帕累托最优的多层架构。
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展示了红外发射率的大范围动态调制（大气窗口内0.03–0.52）以及丰富的可预选结构色板。
引言
随着光电探测技术不断向多波段协同和全光谱覆盖方向迈进，单一波段的伪装手段已不足以有效对抗集成了可见光[1]、[2]、[3]、[4]、中远红外[5]、[6]、[7]、[8]、[9]和激光[10]技术的多维侦察系统。这对军事目标和关键装备的战场生存能力构成了严峻挑战。传统的静态伪装技术，如固定发射率涂层或静态器件，其光学性能在制造完成后即固定不变，只能针对特定背景或有限温度范围进行优化。然而，在实际战场环境中，目标的热状态会随其运行模式动态变化[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，且背景场景可能在沙漠、丛林和海洋等截然不同的环境之间快速切换。这些因素对伪装技术的环境适应性和实时响应能力提出了严格要求。因此，开发能够调控多波段光谱特性[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]的动态伪装技术，已成为光电功能材料和伪装技术领域的前沿课题。
在自适应伪装技术需求的基础上，近期研究将动态伪装的范围从单波段控制扩展至多光谱协同[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]和空间可编程性[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。可编程伪装通过对辐射特性进行空间选择性调制，在不同区域产生不同的光谱响应，从而生成更真实的热特征分布。为此，研究人员探索了多种机制。例如，Zhou等人[37]采用相变材料In?SbTe?实现了对可见色和红外发射率连续可编程调制的独立控制。通过将VO?与In?SbTe?异质集成于双法布里-珀罗腔内，进一步实现了可见色与双波段红外发射率的解耦控制。Wang等人[38]利用具有可变机械倾角的线超材料演示了动态红外发射率调控，并集成闭环反馈以实现可见兼容的自适应热伪装。Hao等人[39]通过微流控将相变材料封装成像素化微胶囊，开发了可编程红外热编码薄膜，实现了对红外图案的写入、擦除和分时段显示。这些研究共同证明了可编程伪装的可行性，并为未来的结构设计和控制策略提供了有价值的见解[4]、[40]。
在上述进展之后，相变材料（PCMs）[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]因其可在多种刺激下实现可逆且显著的光学变化，已成为可编程伪装的关键平台。各类相变材料具有不同的特点：热致变色相变材料如VO?[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]提供快速的红外发射率开关控制；非易失性硫系材料如GST[54]实现空间选择性非易失调制；新兴材料如In?SbTe?[55]、[56]扩展了红外光谱的可控性。尽管具有这些优势，但没有任何单一相变材料能够同时满足多光谱伪装的所有要求，包括可见光动态控制、激光吸收、多态红外发射率调控和空间可编程性。通过异质集成多种相变材料，其互补性能有望在单一器件中实现多功能协同。
为应对这一挑战，本研究建立了一个结合多目标粒子群优化算法（MOPSO-CD）与转移矩阵法（TMM）的逆向设计框架，其中MOPSO-CD集成了聚类与差分进化方法。利用该框架，优化设计了多光谱可编程光学器件。通过独立控制GST和VO?的相变组合，该器件实现了四种可逆切换的红外发射率工作状态，在3–5 μm和8–14 μm双大气窗口跨宽动态范围达到0.03至0.71。顶层GST支持激光直写诱导的区域选择性相变，实现了对可见结构色图案和红外发射率空间分布的可编程调制。同时，ZnS层提供了动态可见色调谐以及在1.06 μm和1.55 μm激光波长处的高效吸收。该设计将可见光、激光和红外多光谱功能集成于单一平面器件中，为下一代具有多光谱自适应能力的智能伪装和热管理技术提供了新的实现路径和设计范式。
章节摘要
器件设计原理
为实现可见光、红外和激光的多维协同控制，本研究设计了基于GST和VO?异质集成的多光谱可编程光学器件。GST提供非易失、高折射率对比度的相变特性，适用于静态结构色图案化和空间选择性发射率重构，而VO?则提供约340 K处的可逆绝缘体到金属转变，用于温度驱动的可逆
器件结构优化的性能分析
利用结合MOPSO-CD与TMM的逆向设计框架，算法输出了一组帕累托最优解。每个解对应一组多层膜厚度参数，并在三个相互冲突的目标——可见光光谱覆盖、红外发射率差异和激光吸收——之间实现不同的权衡。基于特定应用中各目标的偏好权重，选取一个折中方案作为器件的基本结构
结论
设计并优化了一种基于两种相变材料GST和VO?异质集成的多光谱可编程伪装器件。该器件采用ZnS/GST/VO?/GST/VO?/ZnS/Ag多层膜结构。通过独立控制GST的非晶态/晶态相变和VO?的绝缘态/金属态相变，该器件实现了四种可逆切换的红外发射率工作状态，产生0.03至
CRediT作者贡献声明
金诗松：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，调查，数据管理。龙鹏：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，调查。马宇卓：撰写—审阅与编辑，调查。谭湖：撰写—审阅与编辑，概念化。刘斌：撰写—审阅与编辑，监督。邓聪：撰写—审阅与编辑，方法论。吕成龙：撰写—审阅与编辑，监督。纪海宁：撰写—审阅与编辑，撰写—
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：51902276）、湖南省自然科学基金（编号：2019JJ50583、2023JJ30585）以及湖南省教育厅科学研究基金（编号：21B0111）的资助。
金诗松|龙鹏|马宇卓|谭湖|刘斌|邓聪|吕成龙|纪海宁
