基于GST的可切换红外隐身

论文信息：

Cong Quan, Song Gu, Tingzhao Fu, Ping Liu, Wei Xu, Chucai Guo, Zhihong Zhu and Jianfa Zhang, A Non-volatile Switchable Infrared Stealth Metafilm with GST, light: advanced manufacturing 10, 37188 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.37188/lam.2025.016

研究背景

红外隐身技术是通过减少物体的红外辐射或改变其红外特征，从而降低被红外探测系统发现的可能性。随着纳米光子学的飞速发展，红外隐身技术近年来取得了重大突破。最初，红外隐身一般通过降低红外辐射和采用低发射率涂层来实现。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，目标的红外辐射与发射率和绝对温度的四次方成正比。因此，通过降低发射率实现红外隐身，热量会不断积累，温度也会升高，最终降低隐身效果。为了解决这一问题，能够实现红外辐射特性光谱选择性控制的红外隐身技术成为越来越多的研究方向。通过降低目前红外探测系统工作的大气窗口波段3-5微米和8-14微米的红外辐射，实现红外隐身；同时保持甚至增加非大气窗口波段5-8微米的辐射，实现辐射散热。

研究内容

本文实验展示了一种基于耐高温金属钼（Mo）和相变材料Ge2Sb2Te5（GST）的非挥发性可切换红外隐身超薄膜。通过控制GST的相态，可以实现红外隐身与非隐身状态的切换。具体而言，当GST处于非晶态时，薄膜在大气窗口波段的发射率受到抑制，可实现红外隐身，同时在6.08微米处有94%的高吸收峰，能够进行辐射散热；而对于结晶态的GST，在8-14微米波段平均发射率大于0.7，无法实现红外隐身功能。当背景温度为100℃时，红外热像仪测量两种样品的温差高达28℃。因此，文中提出的超薄膜可以灵活调控目标的红外热辐射，从而实现红外隐身与非隐身状态的切换。作者在硬质和柔性基底上都制备了超薄膜。该工作对于动态热辐射控制研究具有深远意义，为智能红外隐身技术的实际实现铺平了道路。

图1.结构示意图及在正入射光下模拟得到的吸收光谱。（a）红外探测器的探测机理。目标的红外辐射透过大气后被红外探测器捕获。（b）双层超薄膜示意图及GST在不同状态之间的转变机制。当温度超过结晶温度时，GST会逐渐由非晶态转变为结晶态，而一旦温度超过熔点后，经过快速退火，GST又可以变回非晶态。（c）光谱椭偏仪测得的红外波段不同状态下GST的相对介电常数。（d）双相态超薄膜对正入射光的吸收光谱及大气透过光谱。

图2.超薄膜的吸收机制。GST为非晶态时，谐振吸收峰6.08m处的电场分布与（b）功率损失图。(c)GST为结晶态时，谐振吸收峰3.26m处的电场分布与功率损失图（d）。(e)GST为结晶态时，谐振吸收峰9.78m处的电场分布与（f）功率损失图。

图3.偏振态和入射角对超薄膜吸收的影响。计算GST在非晶态时(a)TE和(c)TM模式斜入射时不同入射角的吸收率。计算GST在结晶态时(b)TE和(d)TM模式斜入射时不同入射角的吸收率。

图4.基于相变材料GST制备的超薄膜。(a)在硅衬底上制备的双层薄膜在GST的不同阶段的图像。(b)在柔性衬底PET上制备的双层薄膜的图像。GST处于(c)非晶态(d)结晶态时，在扫描电子显微镜(SEM)下制备的双层超薄膜的横截面图像。

图5.GST两种状态下样品的红外辐射特性。(a)傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)获得的制备的双层超薄膜的红外吸收光谱。(b)GST处于两种状态下黑体和制备的双层超薄膜在300K下的光谱辐射出射度。

图6.相变前后样品红外发射率差异对比图。(a-d)在背景温度30℃、50℃、75℃、100℃下，测量三个样品（样品A为非晶态，样品B为同等尺寸的硅衬底参考，样品C为晶态）的温度。(e)在背景温度下测量三个样品的温度曲线。

结论与展望

本文基于相变材料GST和耐高温金属Mo，提出了一种非挥发性可切换红外隐身双层超薄膜，并进行了实验验证。结果表明，由于相对介电常数差异较大，当GST处于不同状态时，超薄膜的红外辐射特性会发生明显变化。具体而言，当GST处于非晶态时，超薄膜在3-5微米和8-14微米大气窗口波段的平均发射率仅为0.31和0.24，能够实现有效的红外隐身性能；此外，在5-8微米非大气窗口波段，其平均发射率超过0.67，在6.08微米时吸收率高达94%，显示出良好的辐射散热能力。然而，当GST转变成结晶态时，结构的红外辐射特性发生了显著的变化，特别是在8-14微米波段，平均发射率由0.24大幅提高到0.67，使超薄膜处于非隐身状态。因此，通过改变GST的状态，可使目标在红外隐身和非隐身状态之间切换，从而达到动态调控红外辐射的目的。同时，超薄膜的红外辐射特性对入射角和偏振不敏感。为了进一步通过电开关实现GST的双向相变，需要进一步优化结构，降低GST层厚度。在器件设计中采用耐高温金属也是有帮助的。除了Mo之外，其他耐高温金属如W（钨）和Ti（钛）也是潜在的选择。作者的工作代表了相变材料在动态热辐射控制方面的探索的重要进展，并将推动智能红外隐身技术的实际应用研究。