Nano Energy: 光学透明和红外可调的柔性伪装

论文信息：

Mikyung Lim, Hyeon-Don Kim, Hyung Cheoul Shim, Kwang-Seop Kim, Byeong-Seon An, Jae-Hyun Kim.

Optically transparent and infrared tunable flexible camouflage device, Nano Energy, 110189 (2024), 131.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110189

研究背景

动态热伪装是一项新技术，能够通过调节发射率响应各种刺激（如电力、应变、光、湿度和温度）来调节热辐射功率。其中一种创新的方法是使用多层石墨烯，石墨烯不仅作为独立电极，还能根据施加电压变化掺杂浓度，动态改变其光学性质。Ergoktas 等通过采用150层石墨烯片实现了动态多光谱伪装，这些石墨烯片在可见光、红外和太赫兹光谱区域表现出反射率调制。然而，加入如此多的石墨烯层会影响光学透明度，从而限制了在可见光和红外范围内自由显示不同信号的能力。在本研究中，介绍了一种能够动态控制发射率，同时保持可见光透明的新型设备。基于石墨烯的红外伪装设备在可见区域具有透明性，实现了在可见光和红外光谱中独立隐蔽。该透明红外自适应伪装设备与传统可见光伪装图案结合后，可在可见光和红外光谱中自动阻断目标检测。这种双重功能促进了在可见光和红外通道中传输离散信号，从而保证信息失真。

研究内容

图1(a) 展示了透明红外可调结构的配置，其中12层石墨烯转移到光学透明的柔性介电基底上。这种结构在可见光谱区域内赋予整个结构透明性，同时保持柔韧性。石墨烯在可见到近红外光谱范围内具有较高的吸收率，但其在中红外光谱区域的吸收率却显著下降，因此在中红外区域的光谱发射率也很低。为了同时实现高红外吸收率和光学透明性，在12层石墨烯下方引入了透明介电基底。通过将12层石墨烯从接近电荷中性点（CNP，状态1）切换到掺杂状态（状态2），可以显著调节石墨烯的反射率。在状态1中，石墨烯的反射率较低，允许大部分入射红外光透射过去。相反，在状态2中，由于掺杂导致反射率增加。在这种配置中，如果透明柔性介电基底表现出高效的红外吸收，则穿过12层石墨烯的红外光主要被基底吸收。因此，在状态1下，包含石墨烯和介电材料的集成结构的吸收率较高，而在状态2下，由于石墨烯的高反射率，吸收率较低。由此可见，包含石墨烯和介电材料的集成结构能够在中红外范围内通过适量的石墨烯层调节发射率。

在图1(b)中，基于石墨烯的红外可调设备被置于一张开满花朵的花园图像之上。光学图像突显了该设备的透明性，即便在矩形电极内有“ KIMM”石墨烯图案的情况下，花朵细节仍然可见。在状态1下，石墨烯的发射率与周围的PET相似，红外图像显示石墨烯的表观温度与其周围环境相似，因此该图案不明显。相反，在状态2下，由于石墨烯的掺杂和发射率降低，表观温度下降，清晰地显现出“KIMM”图案。这些光学和红外图像展示了我们的集成结构在保持可见光透射率的同时，能够有效调节红外发射率。

图1.(a) 所提出的基于石墨烯的红外伪装装置的示意图。(b) 基于石墨烯的红外可调装置置于一张繁花盛开的花园照片上的光学和红外图像。

定量分析基于石墨烯的伪装结构的光谱发射率，悬浮的12层石墨烯的光谱发射率如图2(c)所示。当费米能量设定为0.1 eV时，在大气透明窗口（即7.5–14 μm）内计算的总发射率为0.072，当费米能量增加至0.9 eV时，总发射率增加至0.082。本质上，发射率的调制约为0.01，可以忽略不计，这表明实现动态热伪装是不切实际的。相反，如图2(d)–(e)所示，当费米能量从0.1 eV变化到0.9 eV时，总反射率增加了约0.57，总透射率减少了0.58。为了充分利用反射率的显著变化，在多层石墨烯下方引入了PET基底，如图2(b)所示。100 μm厚的PET膜在光学上是透明的，但在中红外光谱区域几乎不透明。通过将费米能量从0.1 eV调整到0.9 eV，实现了石墨烯/PET结构的发射率从0.88到0.45的调节，从而使集成结构的调制幅度达到约0.43，如图2(f)所示。尽管12层石墨烯/PET结构在某些波长区间允许红外透射，但平均透射率低于0.05，如图2(h)所示。理论上，增加石墨烯层数会扩大调制范围，如图2(i)–(k)所示。具体来说，对于单层石墨烯，发射率只能调节0.013。对于20层和100层石墨烯，调制范围显著增加到0.60和0.63。然而，更多的石墨烯层会导致光学透明度下降，因此选择12层石墨烯，以确保显著的光学透明性和显著的红外调制范围。

图2.(a) 悬浮12层石墨烯结构的示意图。(b) 叠加在100 μm厚PET基底上的N层石墨烯的示意图。(c)悬浮12层石墨烯的光谱发射率。(d)光谱反射率。(e)光谱透射率。(f)不同石墨烯费米能量下，12层石墨烯/PET结构的光谱发射率。(g)光谱反射率。(h)光谱透射率的理论估计。

图3(a)–(b)显示了基于石墨烯的红外伪装装置的示意图，其由顶层离子凝胶、12层石墨烯和100 μm厚的PET基底组成。为了对12层石墨烯施加偏压，在石墨烯层周围图案化一个矩形金电极，并在PET基底上另设一个接地金电极。由聚偏二氟乙烯-六氟丙烯[P(VDF-HFP)]和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺组成的薄离子凝胶层被置于石墨烯和金电极上，以调节石墨烯层的费米能量。虽然石墨烯/PET结构可以调节红外发射率，但如果顶层在红外区域不透明，整体红外可调性会大大降低。因此，必须尽量减少离子凝胶层的厚度，这可以通过加入额外的溶剂实现。图3(d)显示了基于石墨烯的伪装装置整体结构的光谱透射率。该装置在可见光谱范围内（400–700 nm）表现出72%的平均透射率，在施加从+4 V到-4 V的电压时保持恒定。图3(e)显示了光谱发射率随施加电压的变化情况。最大光谱发射率调制为0.42，出现在波长10.6 μm处。当偏压从+4 V调至-4 V时，平均发射率从0.91降至0.64，表明基于石墨烯的伪装装置具有0.27的平均发射率调制范围。该调制范围小于12层石墨烯/PET结构的理论预测值0.43，如图2(f)所示，主要是由于顶层离子凝胶的吸收所致。

将装置放置在保持63 °C的加热板上，通过热成像相机（FLIR A635sc）获得的红外图像清晰显示了发射率的变化，如图3(c)所示。由于装置与加热板直接接触，可以视为大型热源，因此尽管热发射随发射率变化而变化，装置的实际温度应保持不变。电压周期性地在±4 V范围内切换，如图3(f)所示。切换后前50秒所需的功率消耗为115 μW/cm²。12层石墨烯表面不同位置的相应表观温度变化绘制在图3(g)中，显示出无论位置如何，温度调制均为5-6 K。对应于表观温度从61.5 °C变化至55.3 °C的发射率调制范围估计为0.9至0.71。

通过操控石墨烯与电极的排列，可以精细调整表观温度分布（即发射率分布）。使用诸如O₂等离子体灰化的工艺进行精确的石墨烯图案化，可通过遮罩模板高精度地定义12层石墨烯的形状，便于生成大量红外信号。此外，电极的布置影响了施加在石墨烯表面的电场分布。为了实现均匀的发射率分布，通过将电极分开一定距离可以获得梯度分布。这种石墨烯-电极排列与表观温度变化之间的相互作用使得基于石墨烯的装置能够进行多种热图像转换，如图4(a)所示的逐渐消失的花瓣图像。此外，通过将石墨烯制成包围在金矩形电极内的“冷”文本图案，该装置可以在红外中发出“冷”热信号，同时其光学透明性允许传递可见的“热”信息，如图4(b)所示。因此，基于石墨烯的装置固有的光学透明性，结合其精确的热图像调制能力，能够在不同的光谱域中传递独特信号。除了发出误导信号外，基于石墨烯的装置还可以与背景融合，实现自适应热伪装。迄今为止，基于石墨烯的红外伪装装置一直使用PET基底。需要注意的是，原则上任何具有光学透明性的红外吸收电介质都可以用作基底。

图3.(a) 石墨烯基伪装装置的示意图。(b) 俯视图。(c) 电压在± 4 V范围内开关时设备的热图像。(d)石墨烯基伪装器件在可见光谱区域（400−700nm）的光谱透射率。(e)器件在+4 V、0V和−4V电压下的光谱发射率。(f)输入电压和流过器件的相应电流。(g)不同点的表观温度的变化瞬态输入电压也被覆盖。

图4. (a) 在±3 V电压范围内切换时，花瓣状石墨烯图案的光学和热图像。(b) 在不同光谱区域传输不同消息的概念演示。

结论与展望

本文介绍了一种新型的基于石墨烯的红外（IR）伪装器件，该器件在可见光谱中保持高度透明。通过在石墨烯层下方引入透明电介质，这种12层石墨烯结构实现了显著的红外反射率调控。该集成结构结合了石墨烯和电介质材料，既展现了光学透明性，又具备红外可调性。其简易结构由离子凝胶、12层石墨烯以及PET基底构成，具有柔性且能耗极低。该石墨烯器件不仅具备适应多变环境的红外伪装能力，还能够将红外信号转化为多种模式，从而实现对目标识别装置的干扰。此外，它能够在不同光谱区域内传输多样信号，为多光谱伪装及信息扭曲技术的发展提供了重要助力。

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