用于红外伪装和安全的相变薄膜腔热发射图案的平行激光打印

江苏激光联盟导读：

本文提出了一种激光打印方法，用于在空间上调谐金属后反射器上形成的GST平面腔的热发射。这为红外自适应伪装提供了一个很有前景的平台，发射率调制的GST发射器证明了这一点。这项研究还表明，激光打印发射图案可以有效地用于防伪等安全应用。

1介绍

红外（IR）辐射通常被称为“热辐射”，对各种应用至关重要。宽红外光谱通常分为近红外（0.75–1.5µm）、短波红外（1.5–3µm）、中波长红外（3–8µm）、长波红外（8–15µm）和远红外（15–1000µm）。红外辐射有两个大气窗口：一个在3–5µm范围内，另一个在8–13µm范围内。与其他波长相比，这些窗口范围内的红外波长明显较少被大气气体吸收。

在这篇文章中，我们提出了一种激光打印方法，用于位置选择性和连续控制GST发射器的热发射。在金属背反射器上沉积的400 nm厚的非晶态GST膜中记录了多个晶化图案，其中每一层的晶化是通过空间调制脉冲激光束形成的图案。这使得特定位置的发射率可以在0.26和0.8之间进行调整。与使用聚焦光束的传统激光工艺不同，所述激光打印是一种基于扩展光束的并行工艺，可产生晶圆尺寸的热发射图案。所采用的方法允许打印梯度发射图案和阶梯图案。

2结果和讨论

通过时域有限差分（FDTD）模拟分析了GST发射极的发射光谱随GST薄膜结晶结构的变化。图1A说明了四种不同的模拟结构，其中每一结晶层（即c-GST层）在400 nm厚的GST膜内具有50 nm的恒定厚度。图1B显示了四种结构的发射率光谱，这是根据FDTD方法计算的反射光谱得出的。绘制GST薄膜完全无定形和完全结晶时获得的光谱，分别标记为“a-GST”和“c-GST”，以进行比较。

图1 A）模拟结构。B）通过FDTD模拟计算发射率谱。C）实验样品的热图像。D）测量样品的发射率光谱。E）样品的凝视入射X射线衍射图。

如图1B所示，当整个GST膜为非晶态时，发射率保持较低。由于a-GST对红外光的透明性，即使满足共振条件，并且一定波长范围内的入射红外可能限制在膜内，空腔的吸收也很小；共振是高吸收的必要条件，而不是充分条件。

图1中的结果表明，使用激光可以在平面GST腔中记录热发射图案。激光打印的原理如图2A所示。将厚度为200 nm的a-GST膜沉积在金属后反射器上。该薄膜由激光束照射，其强度分布通过光掩模进行空间调制。在辐照膜上涂覆额外的GST膜（100 nm厚）后，使用具有不同空间调制的激光束再次辐照。使用这种逐层方法，多层结晶结构可以嵌入到L=400 nm的GST膜中，其中每一层的结晶通过空间调制的脉冲激光束形成图案。

图2 A）激光打印原理。B）产生逐步和梯度发射模式的机制。C）在硅晶片上制造的GST发射器上印刷阶梯和梯度发射图案。D）热处理对玫瑰图案热发射的影响。

为了评估发射率调制GST发射器的伪装性能，在直径为10 cm的玻璃晶片上制造的GST发射器中打印出由熊和鸟图像组成的发射图案（图3A）。图3B显示了在50°C的固定背景温度（Tb）下，物体温度（To）随热图像的变化。热图像是在转移物体冷却时使用红外相机拍摄的。使用温度计测量To和Tb。发射强度的变化（图3B）是物体温度变化的结果，而不是由内部结构的任何变化引起的。

图3 A）由熊和鸟图像组成的打印发射图案的照片。熊区和鸟区的ε分别为0.73和0.42。B）在将背景温度（Tb）保持在50°C的情况下，在不同物体温度（To）下拍摄的热图像。背景是ε=0.95的涂漆热板。C）不同Tb值下的热图像随To的变化，其中背景为ε=0.32的不锈钢板。D）伪装熊图像时的To和Tb值。E）鸟类伪装的To和Tb。

从图3可以清楚地看出，激光打印GST发射器可以有效地用于红外伪装。当然，最高工作温度是有限制的。如图2D所示，未辐照的背景区域在超过160°C的温度下显著结晶。这导致选择性激光辐照的影响消失。在130–160°C的温度范围内，发射曲线也将不同于打印曲线。因此，激光打印GST发射器的可靠工作温度低于130℃。

激光打印发射图案的另一个有希望的应用是在安全领域，包括防伪。可见光无法穿透400 nm厚的GST膜，因为其穿透深度较短。因此，GST发射器的可见图像由GST薄膜的表面结构决定，而其热图像则取决于薄膜的内部结构。这使得可以将热图像记录到与其可见图像不同的GST发射器中。图4A显示了三种光掩模图案（一种QR码图案和两种半色调图案），分别表示为P1、P2和P3。当模式P1和P2重叠时，获得调制的QR模式，并且该模式被表示为P12。类似地，通过组合模式P1和P3来生成模式P13。使用图案P1、P12和P13在GST发射器中激光打印结晶层。

图4 A）使用了三种光掩模图案。B）在h=400 nm下打印图案P1时获得的热图像。C）在h=400 nm下打印图案P12时获得的热图像。P12是指通过组合P1和P2生成的图案。D）在h=400 nm下打印图案P13时获得的热图像。P13是由P1和P3组合生成的图案。E）通过在h=400 nm处打印P12和在h=315和240 nm处打印P13获得的热图像（即P12×P13×P13）。F）沿“B”中标记的线测量的归一化发射强度。

激光打印热图像的发射轮廓受许多参数的影响，包括几何结构、比例、调制图案的数量及其在GST膜中的位置。这使得再现捕获的热图像极其困难，因为几乎不可能仅从最终图像跟踪之前的所有步骤。这为安全（包括防伪）提供了一个很有前景的平台。由于发射图案是由空间调制的Nd:YAG激光束形成的，因此该过程的分辨率取决于近红外光的衍射极限。在目前的研究中，GST发射器是在硅和玻璃衬底上制作的，并且使用发射器本身演示了红外自适应伪装。为了从周围环境中对任意物体进行热伪装，应开发发射率调制的柔性GST发射器，以便将其连接到物体上。为了利用激光打印的发射图案来防止货币伪造，需要在纸上准备这些图案。这是未来研究的两个具有挑战性但至关重要的课题。

3结论

我们提出了一种激光打印方法，用于对基于GST的发射器的热发射进行空间选择性和连续调谐。在这种方法中，结晶诱导的发射图案以逐层方式直接记录到非晶GST膜（400 nm厚）中，其中每层的结晶通过空间调制脉冲激光束形成图案。与使用聚焦光束的传统激光工艺不同，本发明的激光打印是一种基于扩展光束的并行工艺，可以在大面积上产生梯度发射图案以及阶梯图案。本文还表明，复制激光打印的发射图案可能非常困难。这为安全（包括防伪）提供了一个稳定而有效的平台。

来源：Laser Photonics Reviews -2021 - Kim - Parallel Laser Printing of a Thermal Emission Pattern in a Phase‐Change ThinFilm