基于In3SbTe2 相變實現(xiàn)可切換的熱輻射控制

論文信息：

Yuanfang Lin ,Jimin Wan ,Weiyi Zha ,Jiabao Sun ,Zhenfang Yu ,Huzheng Zhu ,Pintu Ghosh ,Qiang Li,Switchable Thermal Emission Control Enabled by In3SbTe2 Phase Transition ,Photonics 12(12), 1224(2025);

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/photonics12121224

研究背景

隨著紅外輻射調(diào)控在能量利用、溫度管理和隱身防護中的重要性日益提高，開發(fā)可在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)主動或被動調(diào)節(jié)的光學器件成為材料科學的重要方向。傳統(tǒng)紅外調(diào)控技術(shù)多依賴外部機械驅(qū)動或多層膜干涉原理，結(jié)構(gòu)復雜且響應(yīng)速度有限。近年來，相變材料因具備非易失性、可逆性與顯著的光學常數(shù)差異，逐漸成為動態(tài)紅外調(diào)控領(lǐng)域的核心研究對象。

In?SbTe?（IST）是一種新興的相變材料，它在非晶態(tài)和晶態(tài)之間具有強烈的光學響應(yīng)差異：非晶態(tài)為低損耗介質(zhì)，晶態(tài)則表現(xiàn)為高損耗金屬。這種相變帶來的介電常數(shù)突變，使IST在紅外波段（尤其是2.5–15 μm）可實現(xiàn)透射、反射與發(fā)射的主動可控調(diào)節(jié)。本文圍繞IST的相變特性，設(shè)計并驗證了兩類可切換紅外器件，分別實現(xiàn)了寬帶透射–反射切換與寬帶透射–窄帶發(fā)射切換，在紅外偽裝與熱輻射管理方面展現(xiàn)出顯著潛力。

研究內(nèi)容

研究首先制備了單層IST薄膜結(jié)構(gòu)，通過磁控濺射在高透射率紅外基底（KBr與ZnSe）上沉積約80 nm厚的IST膜，并在表面覆蓋10 nm的SiO?保護層以防氧化。IST在非晶態(tài)下表現(xiàn)為低損耗介質(zhì)，能夠保持基底的高透射特性；而在晶態(tài)時轉(zhuǎn)變?yōu)楦邠p耗金屬，表現(xiàn)出高反射率。通過加熱至約300°C進行退火，使IST由非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，從而實現(xiàn)光學性質(zhì)的可逆切換。如圖1所示，實驗測得樣品在2.5–15 μm范圍內(nèi)的透射與反射光譜。KBr-IST與ZnSe-IST樣品在非晶態(tài)下分別表現(xiàn)出與基底接近的高透射特性（Ta-KBr與Ta-ZnSe），而在晶態(tài)后（Rc-KBr與Rc-ZnSe），光譜整體反射率超過0.8，顯示了顯著的高反射態(tài)。兩種基底在光譜趨勢上相似，僅強度略有差異，KBr樣品調(diào)制對比度更優(yōu)。

圖1. 不同基底上IST薄膜樣品在相變前后（非晶態(tài)與晶態(tài)）的透射與反射光譜。（a）KBr基底；（b）ZnSe基底。

為了驗證其在紅外偽裝場景中的應(yīng)用，作者設(shè)計了一個紅外成像實驗。如圖2所示，實驗對象為被加熱至105°C的鷹形紙樣。在非晶態(tài)下，IST薄膜保持高透射，熱輻射幾乎完全通過樣品，紅外相機可清晰看到紙樣圖案；當樣品轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)后，IST表面反射率顯著增加，熱輻射被阻擋，目標圖案在紅外圖像中完全消失。結(jié)果證明，IST薄膜能夠在“高透射冷卻”與“高反射隱身”兩種模式間可逆切換，為紅外開關(guān)與偽裝應(yīng)用提供了簡單有效的實現(xiàn)途徑。

圖2. KBr–IST薄膜在紅外偽裝實驗中的表現(xiàn)。（a）實驗裝置示意圖；（b）非晶態(tài)下鷹形圖案清晰可見；（c）晶態(tài)下圖案不可見，樣品表現(xiàn)出高反射隱身特性。

為了在紅外輻射控制中實現(xiàn)更靈活的光譜調(diào)制，作者進一步在IST薄膜結(jié)構(gòu)上引入了硅（Si）微納米盤陣列，形成周期性超表面（metasurface）。其基本思想為：在非晶態(tài)時，Si盤陣列作為抗反射層維持高透射；而在晶態(tài)時，金屬性IST層與Si盤之間產(chǎn)生電磁共振，形成強吸收，從而獲得高發(fā)射率。

如圖3所示，器件的結(jié)構(gòu)由ZnSe基底、IST薄膜和周期性Si盤陣列構(gòu)成。通過有限差分時域（FDTD）仿真，研究了陣列周期、盤半徑和高度對透射性能的影響。結(jié)果表明，非晶態(tài)下的透射率可通過幾何參數(shù)調(diào)節(jié)：減小周期或增大盤半徑與高度均可增強透射，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性。

圖3. IST–Si超表面結(jié)構(gòu)示意及非晶態(tài)下透射率隨幾何參數(shù)變化的模擬結(jié)果。（a）結(jié)構(gòu)示意；（b）透射率與周期關(guān)系；（c）透射率與半徑關(guān)系；（d）透射率與高度關(guān)系。

在IST轉(zhuǎn)化為晶態(tài)后，結(jié)構(gòu)的光學響應(yīng)由Si盤的局域共振主導。如圖4所示，器件在特定波長處出現(xiàn)窄帶高發(fā)射峰，且共振波長可隨幾何參數(shù)實現(xiàn)紅移或藍移。周期主要影響共振強度與帶寬，而半徑與高度則決定共振中心位置。通過合理設(shè)計，器件可在5–8 μm（輻射冷卻波段）與8–14 μm（紅外隱身波段）間實現(xiàn)獨立可控的發(fā)射行為。

圖4. 晶態(tài)下IST–Si超表面的發(fā)射率隨幾何參數(shù)變化。（a）周期；（b）半徑；（c）高度。

作者采用磁控濺射與光刻–剝離工藝制備了IST–Si超表面，如圖5所示。通過控制濺射功率與氣壓，沉積100 nm厚IST膜后在其上形成Si盤陣列，周期5 μm、半徑約1.15 μm、高度約500 nm。

圖5. IST–Si超表面樣品的制備流程，包括IST薄膜沉積、光刻圖形定義及Si盤形成步驟。

樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像與傅里葉紅外光譜（FTIR）測試結(jié)果如圖6所示。SEM圖像顯示盤陣列分布均勻、邊緣清晰，制程質(zhì)量良好。非晶態(tài)下樣品在5–14 μm范圍內(nèi)保持透射率>0.5，表現(xiàn)出寬帶透射特性；而在晶態(tài)下，在5.5–7 μm波段出現(xiàn)顯著發(fā)射峰，對應(yīng)高發(fā)射狀態(tài)。磁場分布圖顯示，在共振波長處，電磁能量局域于Si盤與IST界面，形成強耦合吸收區(qū)，從而產(chǎn)生高發(fā)射響應(yīng)。

圖6. IST–Si超表面樣品的表征結(jié)果。（a）SEM圖像；（b）非晶態(tài)透射光譜；（c）非晶態(tài)與晶態(tài)反射光譜；（d）對應(yīng)發(fā)射光譜；（e）非晶態(tài)共振波長下磁場分布；（f）能量損耗分布。

為評估器件的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)一致性，作者制備了參數(shù)略有不同的樣品2，并與參考結(jié)構(gòu)進行對比。結(jié)果表明，不同樣品在非晶態(tài)下的反射光譜高度一致，且整體反射率低于未圖案化樣品，說明Si盤陣列在非晶態(tài)下具有明顯抗反射作用。

進一步地，作者結(jié)合實驗光譜數(shù)據(jù)與黑體輻射理論，計算了樣品在相變前后于5–8 μm與8–14 μm兩個波段內(nèi)的平均透射、反射與發(fā)射率。結(jié)果顯示：對于高發(fā)射目標（ε≈1），器件在5–8 μm波段維持較高發(fā)射，實現(xiàn)輻射冷卻；而在8–14 μm波段發(fā)射率由0.72降至0.16，實現(xiàn)紅外隱身。對于低發(fā)射目標（ε≈0），器件在8–14 μm波段始終低發(fā)射（隱身狀態(tài)），而在5–8 μm波段相變后發(fā)射率由0.20升至0.53，增強散熱而不影響隱身。

該結(jié)果說明，IST–Si超表面可在大氣透明窗口與不透明窗口之間實現(xiàn)獨立可控調(diào)節(jié)，在紅外偽裝、熱管理和能量平衡等多領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

圖7. 不同樣品（樣品1與樣品2）在非晶態(tài)下與參考結(jié)構(gòu)的反射光譜比較。（a）樣品1；（b）樣品2。

結(jié)論與展望

綜上所述，本研究采用α-MoO?扭曲雙層結(jié)構(gòu)可通過固有面內(nèi)各向異性實現(xiàn)本征手性，無需光刻即可產(chǎn)生中紅外手性光。該結(jié)構(gòu)在吸收和熱發(fā)射中均表現(xiàn)出顯著手性響應(yīng)，驗證了基于范德華材料扭曲雙層實現(xiàn)手性的可行性。手性響應(yīng)源于結(jié)構(gòu)的對稱性破缺，與極化子波無關(guān)，適用于其他具有強面內(nèi)各向異性的低維材料。在中紅外偏振控制、照明、手性傳感與檢測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，為超越傳統(tǒng)超材料的手性工程提供了簡單、可擴展的方案。