Mo/Ge双层超材料红外隐身

论文信息：

Cong Quan, Song Gu, Ping Liu, Wei Xu, Chucai Guo, Jianfa Zhang, Zhihong Zhu. Spectrally selective radiation infrared stealth based on a simple Mo/Ge bilayer metafilm, Optics and Lasers in Engineering, 108328 (2024), 180.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2024.108328

研究背景

战场上如坦克、战斗机和舰艇等高温发动机自然成为日益成熟的红外探测和成像系统捕获的主要目标，对其生存能力构成了巨大威胁。一般来说，目标主要通过使用红外隐身材料来控制其红外辐射特性。然而，传统的红外隐身材料仅关注通过降低目标在整个红外波段范围内的发射率来实现隐身的目的，但由于发射率的降低，物体的热量会不断积累，导致目标温度升高，最终引起物体红外辐射的增加。因此，仅通过降低物体在红外窗口的发射率来实现红外隐身仍存在重大缺陷，远未达到实际需求。因此，本文研究了一种基于耐火金属钼的双层结构的光谱选择性辐射红外隐身超膜，通过理论和实验研究实现了热辐射和红外隐身的可调控控制。结果表明，结构的吸收率可以与大气窗口适当匹配，在大气窗口波段具有低发射率以实现红外隐身，同时在6.04 μm波长处具有接近于1的发射率以提高辐射散热性能。同时，还研究了入射角和偏振对红外隐身性能的影响，可以在较宽的入射角范围内持续保持隐身。实验结果与模拟结果几乎一致，即8–14 μm大气窗口波段的平均发射率为0.32，而在5–8 μm非大气窗口波段的平均发射率为0.80。该结构在军事应用中具有重要意义，并将为红外隐身材料的大规模应用铺平道路。

研究内容

首先，使用COMSOL 进行全波数值模拟，研究结构的红外特性。作为一种双层结构，超材料膜在x和y方向上无限延伸。通过COMSOL和传输矩阵法获得的吸收光谱如图1(b)所示，同时给出了大气吸收光谱。可以清楚地看到：薄膜的波长选择性与大气窗口匹配。在大气窗口波段，吸收率相对较低，而在非大气窗口波段，吸收率显著提高，并且在6.04 μm处有一个高吸收峰，吸收率为94.89%。为了更好地展示结构的隐身性能，计算了每个波段的平均发射率。结果表明，3–5 μm和8–14 μm大气窗口波段的平均发射率分别为0.48和0.32，而在5–8 μm非大气窗口波段的平均发射率为0.78。这意味着红外辐射可以被大气几乎吸收，同时实现对红外探测器的“隐身”效果。

图1. (a) 实验测量的材料折射率；(b) 通过数值模拟和传输矩阵法获得的吸收光谱，以及大气吸收光谱。

为了进一步研究结构对入射光的吸收机制，分析了共振吸收峰处的电场分布和功率损耗图，如 图2所示。可以看出，共振吸收峰处的电场主要分布在上层的Ge介质层，而下层Mo层的电场显著减弱。从功率损耗图可以清楚地看到，底部Mo层的功率损耗比为94.89%，这与结构在6.04 μm处的吸收率一致，这充分表明，对于入射电磁波，结构的吸收全部集中在Mo层，而Ge介质层的吸收为0，其作用更多是作为高折射率介质层，在干涉过程中提供相位补偿。

为了进一步分析入射光的偏振状态和入射角的影响，对该结构的红外隐身性能在TE和TM模式下对入射角的依赖性进行了充分研究，如 图3所示。可以看出，在5–7.5 μm的光谱范围内，吸收率随着入射角的增加在40°以内几乎没有变化，并且可以保持在90%以上，这证明红外隐身性能对不同入射角并不敏感。

图2. (a) 在6.04 μm共振吸收峰处的模拟电场分布。(b) 功率损耗图。

图3.(a) 在不同入射角下TE模式的模拟吸收率光谱。(b) 在不同入射角下TM模式的模拟吸收率光谱。

为了验证模拟结果，根据模拟中使用的结构参数制备了相应的双层超膜样品。图4(a)和(b)展示了用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察到的制备好的双层薄膜的表面和截面。薄膜的红外发射率通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）获得，如图5(a)所示。可以清楚地看到，制备样品的红外吸收光谱与理论研究中的模拟结果几乎完全一致，在大气窗口波段的吸收率较低，而在非大气窗口波段的吸收率较高。这表明实际中可以实现红外隐身。

进一步研究了制备的双层膜的红外隐身性能。首先，研究了隐身功能的热稳定性，并测量了样品在不同温度下的光谱发射率。通过在真空环境中使用加热平台加热样品，然后通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）获得不同温度背景下的红外吸收光谱，如图5(b)所示。可以清楚地看到，当环境温度低于500℃时，样品的吸收光谱基本保持不变，显示出适中的热稳定性。当温度升高至600℃时，由于Ge的耐热性差，上层介质层的物理性质发生了变化，导致吸收光谱发生蓝移。当温度继续升高至700℃时，上层介质层严重受损，导致与大气窗口匹配的光谱选择性吸收功能丧失。这证明了样品保持良好红外隐身功能的上限温度约为500℃，一旦超过此温度，隐身性能将逐渐减弱。

图4. (a) 准备好的双层超膜在光学显微镜下的表面。(b) 准备好的双层超膜在扫描电子显微镜（SEM）下的截面。

图5. (a) 通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）获得的样品红外吸收光谱及其模拟吸收光谱。(b) 在不同温度背景下测得的样品红外吸收光谱。

之后，通过将样品的红外辐射与500 K下的黑体辐射进行比较来研究样品的红外辐射特性（黑体辐射的峰值波长位于非大气窗口），如图6(a)所示。可以直观地发现，样品的红外辐射特性得到了很好的调节，因为红外辐射主要集中在5–8 μm的非大气窗口波段，相较于其他两个大气窗口波段，这可以大大增强散热。同时，通过计算，3–5 μm和8–14 μm波长范围内的红外辐射强度分别比黑体减少了56%和68%。这意味着大气窗口中的红外隐身功能可以很好地实现。最后，为了更好地展示薄膜的辐射冷却能力，在100℃的热平台上测量样品的温度，如图6(b)所示。在我们的研究过程中，我们首先将红外相机的热台加热至100℃，然后校准系统。系统稳定后，我们将样品放置在热台上进行温度测量。当样品处于热稳定状态时，红外相机测得的温度仅为84℃，这表明我们制备的薄膜能够通过辐射热散逸有效地降低温度。

图6. (a) 500 K下黑体和制备的双层薄膜的光谱辐射出射度。(b) 100℃下样品的红外图像和辐射温度。

结论与展望

在本文中，选择了常见的廉价金属Mo来替代在超材料结构中广泛使用的贵金属Au和Ag，并结合高折射率介质Ge，提出了一种双层红外隐身超材料膜。首先，通过模拟软件，获得了结构在正常入射下的吸收光谱，该光谱与大气窗口相比，与大气吸收光谱相匹配。对于大气窗口波段的低吸收率，它可以实现红外隐身；而在非大气窗口波段，吸收率显著增加，在6.04 μm处有一个94.89%的高吸收峰，可以实现宽带辐射散热。接着，详细研究了红外隐身性能对偏振和入射角的依赖性，结果证明在两种偏振状态下，红外隐身性能对不同入射角不敏感。此外，制备了相应的双层样品以验证模拟结果。通过红外光谱仪测得的光谱与模拟结果高度一致。然后，研究了隐身功能的热稳定性，并在不同温度下测量了样品的光谱发射率，结果表明它可以在500℃以下保持良好的红外隐身功能。最后，通过将样品的红外辐射与500 K下的黑体辐射进行比较来研究红外隐身性能。计算结果显示，与黑体相比，中红外（MWIR）和远红外（LWIR）波长范围内的红外辐射强度可以大幅度降低。同时，红外辐射主要集中在5–8 μm的非大气窗口波段，这可以大大增强热散逸。研究结果对推动红外隐身材料的研究发挥了一定作用，并可能在促进超材料的实际应用方面起到重要作用，因为它仅由一个双层结构组成，易于制备和大规模集成。该研究具有重要的学术意义和潜在的军事价值。

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