iScience：基于VO2相变材料的自适应红外隐身

论文信息：

YeYuan, Shaopei Wang, Mengdan Qian, Weiying Hou，Switchable and expandable mid-infrared broadband metasurface absorber for adaptive infrared stealth based on VO2 phase change materials, iscience 28, 113547 (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.113547

研究背景

电磁超表面以其在亚波长尺度上对光-物质相互作用的强大操控能力，近年来在微纳光学领域引起了极大的兴趣。超表面电磁控制在成像、红外伪装、偏振转换、辐射冷却、和光伏等领域有着广泛的应用。辐射光谱主要由材料和结构几何决定，当参数给定时，辐射光谱一般是不变的。然而，在现实中，目标的位置可能会不断变化，导致静态隐身目标在动态背景环境中失败。相对于固定隐身，变热隐身技术具有更强的实用性和更广泛的军事应用可能性。近年来，相变材料由于具有可调谐的光学性质，在动态热辐射方面引起了人们极大的兴趣。

因此，本研究提出一种热可切换和可膨胀的超表面吸收体(SEMA)，该吸收器在中红外(MIR)区域实现隐身和非隐身开关功能，在大气透明度范围内具有发射率调节能力，并在大气吸收区间（5-8μm）内主动散热。通过电磁场分布讨论了SEMA在VO2金属状态下的选择散热，并用LC模型进行了验证。此外，SEMA对偏振方向和入射光的角度表现出良好的稳定性和鲁棒性。同时，在中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)波长间隔内获得的低发射率导致辐射温度显著降低。

研究内容

本研究提出一种热可切换扩展超表面吸收器(SEMA)，用于中红外(MIR)区域的隐身与非隐身切换，其结构从上层到下层依次为Ag立方层、SU-8介电层、VO₂相变材料层和氧化铟锡(ITO)衬底，各层厚度分别设定为80nm(Ag)、100nm(SU-8)、1400nm(VO₂)和90nm(ITO)，如图1所示。其中，SU-8层因稳定性好，用作保护层以防止VO₂层氧化或损坏；ITO与VO₂膜共同作为反射层，加速红外区域的共振吸收，且调整ITO膜厚度对SEMA吸收光谱影响可忽略不计。最上层Ag方块的周期(P)和边长(r)分别设为1.6μm和1.2μm，Ag方块阵列作为频率选择表面，支持磁共振并控制共振波长。

图1 SEMA的结构设计(A)拟议的SEMA的示意图。(B)单一SEMA结构的侧面描绘

图2A展示了VO₂折射率的实部随温度的变化情况，从图中可观察到，在温度未达到相变温度时，折射率实部相对稳定；当温度接近或超过相变温度(341K左右)时，折射率实部发生显著变化，图2B呈现了VO₂折射率的虚部随温度的变化,折射率虚部与材料对光的吸收特性相关，图中同样能看到在相变温度附近，虚部出现明显波动，反映出VO₂在相变过程中对光吸收能力的改变。

图2 VO2光学参数用于模拟VO2在300-373K温度范围内升温和降温过程中的折射率：(A)真实部分；(B)虚部。

图3A清晰对比了VO₂处于绝缘态和金属态时SEMA的发射率变化，绝缘态下在8-12.1μm波段呈现超宽带高发射率(对应高吸收率)，80%吸收带宽达4.1μm，且在11.6μm处接近完美吸收；金属态下发射率峰值蓝移至6.2μm附近，同时在5-8μm非大气窗口保持高发射率，直观体现了 SEMA 的光谱切换特性。图3B展示了SEMA在VO₂绝缘态和金属态下，在大气窗口(3-5μm、8-14μm)和非大气波段(5-8μm)的平均发射率。数据显示相变后大气窗口的平均发射率显著降低(3-5μm从0.4降至0.28，8-14μm从0.86降至0.29)，非大气波段保持高发射率(0.74左右)，有力证明了 SEMA 在红外隐身(低大气窗口发射率)和散热(高非大气窗口发射率)方面的性能。当温度低于340K(VO₂绝缘态)时，吸收峰主要集中在11.6μm附近，且在中红外和长波红外区域呈现超宽带吸收；温度超过340K(VO₂开始相变)后，吸收峰逐渐蓝移，最终在金属态时集中于5-8μm波段，清晰展现了温度对SEMA吸收光谱的调控作用，如图3C。

图3 VO2相变前后SEMA的光谱变化和电学分布(A)所提出的SEMA的发射率随频率的变化。(B)当VO2处于绝缘态和金属态时，SEMA在大气窗口和非大气波段的平均发射率。(C)VO2相变过程中吸收光谱随模拟温度的变化。(d和E)VO2在其绝缘(D)态和金属(E)态对应的主谐振波长处的横截面电场分布

图4A呈现了不同SU-8厚度(80nm-120nm)下，VO₂处于绝缘态时SEMA的光谱吸收率。结果显示随着SU-8厚度增加，吸收带宽逐渐向短波方向拓宽，80%吸收带宽从2.1μm提升至5.3μm，且保持较高的吸收强度，表明SU-8厚度可有效调控绝缘态SEMA的吸收带宽。图4B展示了不同SU-8厚度下，VO₂处于金属态时SEMA的光谱吸收率。可见SU-8厚度增加能提高5-8μm波段的吸收强度，如120nm厚SU-8结构在该波段的吸收率达97.2%，远高于80nm厚SU-8结构的85.3%，说明SU-8厚度对金属态SEMA 的吸收性能同样有重要影响。低温下，随着VO₂厚度增加，长波红外区域的吸收率相应提高，在11.6μm处逐渐接近完美吸收，凸显了VO₂厚度对绝缘态SEMA吸收强度的调控作用，这一特性对提升红外热发射器和光电探测器性能具有重要意义,如图4C。

图4薄膜厚度对SEMA(A和B)光谱吸收率的影响测定了不同厚度的SU-8在(A)和(B)相变前后的SEMA的光谱吸收率。(C和D)相变前(C)和相变(D)后不同VO2厚度的SEMA的光谱吸收率

图5A展示了VO₂处于金属态时，SEMA在6.2μm共振波长处的截面磁场（Hz）分布。图中可见磁场被限制在SU-8层内，形成绕SU-8层中心的顺时针闭合电流回路，这表明磁共振子被有效激发，是金属态SEMA在5-8μm波段产生吸收的关键物理机制，直观呈现了磁共振的空间分布特征。图5C呈现了不同周期边长（1.0μm-1.4μm）的Ag方块对应的SEMA发射率。随着Ag方块边长增加，发射率峰值波长从5μm逐渐移动到7.7μm，而峰值处的发射强度基本保持不变，表明通过改变Ag方块边长可实现吸收峰的波长调控，且不影响吸收强度，极大拓宽了SEMA的应用范围。

图5 理论分析了当VO2处于金属状态时，在6.2μm波长处横截面上SEMA(A)磁场分布的磁共振。(B)用于预测SEMA的磁共振波长的LC电路模型示意图。(C)不同周期边长的银块的发射率。(D)通过COMSOL仿真和LC电路模型得到了谐振波长与银块边长之间的关系。

图6A和B分别展示了VO₂处于绝缘态和金属态时，不同TM偏振入射角度下SEMA的光谱吸收率。当入射角超过30°时，绝缘态下3-5μm波段因激发表面等离激元极化激元（SPPs）导致吸收率（发射率）相对升高；而金属态下，即使入射角增大，整体吸收光谱仍保持较好的稳定性，尤其是在5-8μm波段的高吸收特性基本不受影响。图6C分析了T 偏振模式下，VO₂处于金属态时不同入射角度对各波段平均发射率的影响。结果显示，即使入射角达到60°，大气窗口（3-5μm、8-14μm）的平均发射率仍保持在0.3以下，非大气窗口（5-8μm）保持在0.7左右，证明SEMA在TM偏振大角度入射下仍具备良好的红外隐身和散热性能。当VO₂处于绝缘态（图6D）和金属态（图6E）时，不同TE偏振入射角度下SEMA的光谱吸收率。与TM偏振不同，TE偏振下无论VO₂处于何种状态，大角度入射时均未出现3-5μm波段的SPPs激发现象，吸收光谱整体保持稳定，各波段吸收特性变化较小。图6F展示了TE偏振模式下，VO₂处于金属态时不同入射角度对各波段平均发射率的影响。结果表明，在整个入射角度范围内（0°-60°），大气窗口的平均发射率稳定在0.3左右，非大气窗口稳定在0.7左右，进一步验证了SEMA在TE偏振下的角度不敏感性，说明其在复杂偏振和入射角度条件下均能保持稳定的红外隐身性能。

图6光谱开关性能与偏振和入射角度的关系(A和B)绝缘(A)和金属(B)态的VO2在不同入射角度下的TE模式下的光谱吸收率。(C)不同入射角对含VO2金属态TM模不同谱带平均发射率的影响。(D和E)绝缘(D)和金属(E)态在不同入射角度下与VO2在TE模式下的光谱吸收率。(F)在含有VO2的金属态下，不同入射角对TM模中不同波段的平均发射率的影响。

图7A直观展示了模拟系统的构成，包括加热器、SEMA样品、参考样品（RS）以及红外相机的探测区域，明确了模拟的实验场景和参数设定（如背景温度、探测波段等）,图7B呈现了SEMA和参考样品（RS）在3-5μm和8-14μm波段的探测信号强度随温度（300K-500K）的变化。低温时，SEMA在8-14μm波段的探测信号强度显著高于RS，处于非隐身状态；随着温度升高（VO₂转变为金属态），SEMA的探测信号强度逐渐与RS趋近，最终在高温下保持一致，实现隐身状态切换，体现了温度对SEMA隐身性能的调控作用。然后分析了SEMA和RS的辐射温度与实际温度（350K-500K）的关系，如图7D，两者的辐射温度均随实际温度升高而线性增加，但在相同实际温度下，SEMA的辐射温度与 RS接近，且由于其在非大气窗口的主动散热作用，在高温区域（如450K以上）辐射温度增长速率略低于RS，进一步说明SEMA在保证隐身性能的同时，具备更优的热管理能力，伪装效果更稳定。

图7主动散热改善了中波和中波红外区域的伪装性能(A)温度和热模拟示意图。(B和C)(B)在3-5μm和8-14μm频段的扫描电子显微镜和参考样品的检测信号强度。在VO2金属态(C)下，给出了本底温度为400K(D)的中红外大气窗口的SEMA和RS的热像，给出了这两个样品的辐射温度与其实际温度的关系。

结论与展望

综上所述，本研究提出一种由Ag-(SU-8)-VO₂-ITO 结构构成的可切换扩展超表面吸收器（SEMA），通过合理控制激发温度，利用VO₂相变材料实现对红外性能的动态调控。VO₂的相变使得SEMA能够在红外隐身状态和非隐身状态之间有效切换，同时实现了吸收带宽和共振波长的热可调性：当VO₂从绝缘态转变为金属态时，80%吸收带宽从4.1μm变为1.2μm，共振波长从11.6μm蓝移至6.2μm。该基于相变材料的SEMA具有结构简单、发射率可调、角度稳健性好等特点，在自适应红外伪装和辐射热管理技术领域具有重要的应用价值。本研究仅对基于VO₂的动态热发射器进行了理论模拟，所使用材料的光学参数来源于已有文献报道。由于实际制备中薄膜沉积和制造方法的差异，SEMA的实际光学参数和最终光谱发射率可能与理论结果存在一定偏差，但该SEMA的设计理念和结构模型对自适应红外伪装和辐射热管理技术仍具有重要意义。