CRPS | 基于多层模拟结构的红外波段可调控透射率、吸收率和反射率

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相关成果以Controlled transmissivity, absorptivity, and reflectivity in IR wavelengths based on multilayer structure of simulation为题发表在国际知名期刊《Cell Reports Physical Science (CRPS)》(Q1，IF=7.9)。团队2024级博士生包阿特尔为论文第一作者，通讯作者为哈工大航天学院朱嘉琦教授、SAM ZHANG教授、徐梁格、浙江大学光电科学与工程学院李强教授。

背景介绍

在军事、能源工程和大气科学等诸多领域中，红外波段多光学功能器件需要依据场景切换光学特性以满足使用。可调谐光学材料，例如光子晶体、金属-半导体-金属纳米腔、多孔纳米结构和编程超表面因其独特的结构设计可应用于多场景需求。然而，特定红外波段内所需的高反射率、高吸收率和高透射率的主动转换仍有挑战。

与需要持续能量输入以维持改变后的光学状态的易失性相变材料(如VO2)不同，非易失性相变材料IST通过受控的外部刺激作用，在红外光谱范围内具有晶态转变特性，从而实现红外光学特性的切换，且IST无需持续能量消耗即可保持其光学特性稳定。在整个红外波段范围内，非晶态IST是低损耗透明介质具有高透过率，而晶态IST具有显著金属反射特征，因此IST有望作为光学性能调控的“切换开关”。然而，在单一器件上对透射-吸收-反射三功能进行光谱调控，至今尚未见研究报道。

本研究提出了一种由相变材料IST和介质材料ZnS组成的多层薄膜结构仿真策略，通过光学模拟及分析，在3-14 μm波段中具有可调控的优异红外特性。通过替换相变材料(Ge2Sb2Te5、GeTe、VO2)，高通量筛选进一步验证了相变层材料的普适性。本研究所设计结构有望用于红外技术可重构光学成像组件、高效率光电转换器件和自适应热伪装系统。

本文亮点

1、设计了一种基于相变材料In3SbTe2的多层薄膜结构，该结构在模拟结果中实现高透射、高吸收和高反射的分级调控。

2、在3-5 μm和8-14 μm的红外波段内，分别实现了优异的平均透射率(0.76和0.72)、平均吸收率(0.72和0.96)和平均反射率(0.84和0.84)。

3、利用高通量优化替换层结构的In3SbTe2(替换为Ge2Sb2Te5、GeTe、VO2)，验证了该多层薄膜结构的普适性和热辐射特性。

图文解析

通过光学模拟和分析，作者提出一种新的多层薄膜结构，该结构采用三层IST相变材料和两层ZnS介质材料交替组成，如图1所示。所提出的结构在关键的大气窗口显示出优异的红外特性，通过IST的晶态/非晶态分级切换，在高透射、高吸收、高反射时可分别应用于大气科学观测、光电储能、红外伪装领域。

图1 基于相变材料多功能耦合设计示意图

图2中分别对比四种PCMs在特定波长下的介电常数ε'的实部。在非晶结构相的红外光谱范围内，GeSbTe化合物等PCM的介电常数实部ε'≈10-15。结晶后，由于键合的变化，ε'增加了约2倍或更多，这是半导体特征。IST在结晶后呈现出独特的金属化现象，与其他PCMs完全不同。如图2B所示，其ε'发生极性反转，在4 μm、11 μm处均由正值转变成负值，这是自由电子行为产生的金属特性的标志。相比之下，传统PCMs在两种相中都能保持正的ε'值，从而在相变过程中保持半导体特性。同时，优化的IST-ZnS多层薄膜的厚度分别为：IST_h1(70 nm)、ZnS_h2(1015 nm)、IST_h3(11 nm)、ZnS_h4(1305 nm)和IST_h5(200 nm)。

图2 相变材料的对比及IST-ZnS多层薄膜的结构设计

在图3中系统研究了IST相变(h1、h2、h3)产生的8种不同的薄膜相态结构。状态4、6、7、8通过形成金属-介质-金属的法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)谐振腔而表现出不同的红外吸收率调制，其中状态8具有独特的双层F-P谐振腔。状态1在3-5 μm和8-14 μm波段内都表现出宽带高透射率，状态4在3-5 μm和8-14 μm波段表现出很强的吸收率。此外，状态5、6、7、8在3-14 μm波段范围内表现出很高的反射率。

图3 IST-ZnS多层薄膜的相态模式及性能

图4为IST-ZnS多层膜结构的高透射率、高吸收率和高反射率状态示意图及其红外光学性能。对应结构相态在3-14 μm红外波段的最高透射率为0.96、最高吸收率为0.99、最高反射率为0.88。优化后的结构呈现出所需的三种状态，在红外波段具有光谱选择性。高透射率结构表现出均衡的性能，在相应波段的透射率分别为0.76和0.72。与此相反，高吸收率结构则实现了明显不同的响应，平均吸收率分别为0.72(3-5 μm)和0.96(8-14 μm)。高反射率结构在3-5 μm和8-14 μm波段的平均反射率均为0.84。

图4 IST-ZnS多层薄膜结构的特定模式示意图及其红外光学性能

图5为三功能耦合辐射器的光谱和入射角偏振结果。在所有三种状态下，光谱方向振幅几乎不受偏振的影响。对于透射光谱，透射率随着入射角θ>50°和TE波极化的增加而略有降低。对于吸收光谱，当入射角θ<80°时，在3-5 μm和8-14 μm波段观察到明显的吸收区域，而在5-8 μm波段有非常低的吸收率。对于反射光谱，当入射角θ<70°时，在3-14 μm波段，反射率的光谱振幅几乎与入射角无关，且在θ>70°时，TE波下反射率光谱仍保持较高的反射率强度。总体而言，三功能耦合辐射器的光谱性能在偏振和入射角方面保持良好的稳定性。

图5 在3-14 μm红外波段范围内0°-90°角的TM偏振和TE偏振

为了评估所设计多层薄膜结构的相变材料替换普适性，利用自动化程序联合多物理场仿真(图6)。以三种候选PCMs(Ge2Sb2Te5、GeTe、VO2)作为IST层(h1、h3、h5)的替换材料。在状态1中，GeTe在3-5 μm和8-14 μm波段表现出与IST非常相似的平均透射率水平，而Ge2Sb2Te5则低于IST，VO2则高于IST。在状态4和8下，IST在3-5 μm和8-14 μm波段的平均吸收率和平均反射率最高。在状态4时，Ge2Sb2Te5的平均吸收率显著下降，但透射率保持稳定。

图6 高通量自动替换相变层对比结果及光学编码场景

总结与展望

本研究利用相变材料In3SbTe2(IST)在非晶相和晶体相之间独特的介质-金属二重性，设计了一种动态可重构的多层薄膜结构，该结构可实现三功能红外光学性能调控切换。在3-5 μm和8-14 μm的红外波段表现出高平均透过率(0.76和0.72)、高平均吸收率(0.72和0.96)和高平均反射率(0.84和0.84)。模拟验证了结构的角度/偏振不敏感性，同时，高通量优化复杂替换层材料过程，证明所设计多层结构的材料普适性。这些进展为动态红外调控领域提供了一个新思路，未来的下一步工作将侧重于器件制造的实验验证，以及多层相变材料层间动态控制的探索。