一种基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜

1.本申请涉及红外隐身领域，尤其涉及一种基于相变材料的红外伪装与隐身薄膜。


背景技术：

2.随着红外探测技术和电子信息处理系统的日益提升，红外侦查、红外夜视、红外制导等技术越来越广泛地应用于军事领域，导致在军事上武器装备以及作战人员的生存受到前所未有的巨大考验。红外探测技术能够有效提高目标的探测识别能力，并且能够克服不良气候条件、低能见度等因素对目标侦察带来的影响。为规避红外探测器的侦测，提升武器和作战人员的生存能力，红外隐身技术已成为备受关注的研究方向，是军事强国角逐军事高新技术的热点之一。红外隐身技术需要在红外探测的红外大气窗口波段(3
‑
5um和8
‑
14um)具有高反射、低辐射率。同时，隐身带来的热量累积会造成隐身材料温度的升高进而恶化其红外隐身功能，因此，红外隐身材料还需要具有非红外大气窗口波段(5
‑
8um)有高辐射率的辐射散热功能。传统红外隐身涂料基于金属或半导体等天然材料的低发射率特性来实现了目标的红外隐身功能，其具有工艺简单、施工方便、不受目标表面形状限制等突出优点成为研究最广的红外隐身材料，但这种材料一般导热性差，导致热源无法及时散热，影响散热效果，而且往往无法满足多波段隐身的需求。现有的红外隐身大多采用融合多层薄膜和人工微纳结构双重设计的超材料，可实现多波段隐身。该种基于人工超材料的隐身系统虽然隐身效果好，但是设计的薄膜或者结构一旦使用，其功能就完全固定，无法实现对隐身功能的灵活的控制。
3.相变材料一般指在室温下具有稳定的晶态与非晶态，并能够在不同相态之间进行可逆的快速转变。在不同相态下，其光学特性包括折射率与吸收系数具有相当大的差异，其电学特性主要表现为电阻值也有相当大的差异。在近30年，相变材料被广泛于多媒体光学存储，如dvd中；近10年间，随着微电子技术的发展，相变材料开始被应用于高速非易失性存储器中。相变材料大致可分为两种，一种是以二氧化钒(vo2)为代表的易失性相变材料，为单稳态，在不同的温度下只有一种稳定的相态，要想维持对应的相态，需要不断提供能量来维持其状态。另一种是以硫系相变材料((例如ge2sb2te5、sb2s3，gete等)为代表，具有非易失性，具有多稳态，一个稳定的非晶态，一个或多个稳定的晶态，在电学或光学刺激下可实现可逆的转换。切换速度在纳秒级别(10ns
‑
30ns)。


技术实现要素：

4.本申请实施例的目的是提供一种基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜结构，以解决相关技术中存在的无法实现对隐身效果的实时调控的问题。
5.根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜，包括：分区控制电极，位于最底层，用于控制薄膜不同区域当中相变材料的相态；第一光子晶体层，在所述分区控制电极上部，用于实现8
‑
14um波段的辐射率调控；第二光子晶体层，在所述第一光子晶体层上面，用于实现3
‑
5um波段的辐射率调控；超表面辐射层，在所述
第二光子晶体层上面，用于实现5
‑
8um波段的高辐射率。
6.进一步地，所述分区控制电极由金属构成，在外界电路的控制下，通过不同脉宽与不同幅值的电流脉冲来控制相变材料的相态。
7.进一步地，所述第一光子晶体层和第二光子晶体层均由相变材料薄膜和电介质材料薄膜交替生长构成。
8.进一步地，所述相变材料为锗锑碲合金、硫化锑、二氧化钒、锗锑合金中的一种。
9.进一步地，所述电介质材料为二氧化硅、硫化锌、锗、氮化钛中的一种。
10.进一步地，所述第一光子晶体层的相变材料薄膜厚度为300
‑
1500nm，电介质材料薄膜厚度为500
‑
2000nm；所述第二光子晶体层的相变材料薄膜厚度为80
‑
500nm，电介质材料厚度为100
‑
800nm。
11.进一步地，所述的第一光子晶体层满足以下条件：
12.当相变材料处于非晶态时，所述第一光子晶体层在8
‑
14um处的辐射率低于0.2。
13.当相变材料处于晶态时，所述第一光子晶体层在8
‑
14um波段的平均辐射率大于0.6。
14.进一步地，所述的第二光子晶体层满足以下条件：
15.当相变材料处于非晶态时，所述第二光子晶体层在3
‑
5um波段的辐射率低于0.2。
16.当相变材料处于晶态时，所述第二光子晶体层在3
‑
5um波段的平均辐射率大于0.6。
17.进一步地，所述超表面辐射层由二维排列的纳米阵列构成。
18.进一步地，所述纳米阵列由金属基元组合排列构成，所述金属为铜、铝、金、银中的一种。
19.本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
20.由上述实施例可知，本申请提供的结构通过第一光子晶体层与第二光子晶体层分别实现对8
‑
14um和3
‑
5um波段的辐射调控。第一光子晶体层与第二光子晶体层分别由相变材料薄膜与电介质材料薄膜交替排列构成，具有光子带隙，通过特定设计的相变材料薄膜与电介质材料薄膜厚度，可以让光子晶体层在对应波段实现非常低的辐射率，进而实现隐身效果。通过分区电极可以控制某一区域相变材料的相态，相变材料的不同相态具有很大的光学性质的差别，进而可以改变对应光子晶体的带隙位置，带隙位置的改变直接改变结构在对应波段的红外辐射效率，这样便可以实现对该区域内热辐射效率的实时调控，进而实现对隐身效果的
‘
开’与
‘
关’。而通过控制不同区域的隐身效果的
‘
开’和
‘
关’，可以改变物体的红外特征，达到伪装效果，可以起到欺骗对手红外侦测手段的目的。比如可以将一辆汽车的红外成像特征伪装成为一只兔子。相变材料具有优秀的调控性能，具有对物体实现热管理的能力。
21.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
22.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
23.图1为本发明一实施例示出的基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜的结构示意图。
24.图2为本发明一实施例示出的当中相变材料锗锑碲三元合金(ge2sb2te5)在2
‑
15um处的折射率与消光系数图谱。
25.图3为本发明实施例当中第二光子晶体层4结构示意图。
具体实施方式
26.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
27.在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
28.应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
29.图1为本发明一实施例示出的基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的一种基于相变材料的可调控红外伪装与隐身薄膜，可以包括：分区控制电极2，位于最底层，用于控制薄膜不同区域当中相变材料的相态；第一光子晶体层3，在所述分区控制电极上部，用于实现8
‑
14um波段的辐射率调控；第二光子晶体层4，在所述第一光子晶体层3上面，用于实现3
‑
5um波段的辐射率调控；超表面辐射层5，在所述第二光子晶体层4上面，用于实现5
‑
8um波段的高辐射率。
30.由上述实施例可知，本申请提供的结构通过第一光子晶体层与第二光子晶体层分别实现对8
‑
14um和3
‑
5um波段的辐射调控。第一光子晶体层与第二光子晶体层分别由相变材料薄膜与电介质材料薄膜交替排列构成，具有光子带隙，通过特定设计的相变材料薄膜与电介质材料薄膜厚度，可以让光子晶体层在对应波段实现非常低的辐射率，进而实现隐身效果。通过分区电极可以控制某一区域相变材料的相态，相变材料的不同相态具有很大的光学性质的差别，进而可以改变对应光子晶体的带隙位置，带隙位置的改变直接改变结构在对应波段的红外辐射效率，这样便可以实现对该区域内热辐射效率的实时调控，进而实现对隐身效果的
‘
开’与
‘
关’。而通过控制不同区域的隐身效果的
‘
开’和
‘
关’，可以改变物体的红外特征，达到伪装效果，可以起到欺骗对手红外侦测手段的目的。比如可以将一辆汽车的红外成像特征伪装成为一只兔子。相变材料具有优秀的调控性能，具有对物体实现热管理的能力。
31.下面就该结构每部分实现的功能以及如何实现可调控隐身做具体阐述。
32.超表面辐射层5：该层在整个结构最表面，由特定设计金属纳米单元二维排列构
成，通过与特定波长光的谐振作用，可在5
‑
8um实现很高的辐射率。超表面可由微纳图形工艺制作得到，在超表面参数的选取上，一般金属纳米单元尺寸处于对应波长或者亚波长量级。只要该表面在5
‑
8um区域内的某一个频率或某几个波段能实现对电磁波的强吸收(强辐射)即可。但不能在其它区域内有强吸收峰，这个主要由金属单元的尺寸来控制。其功能是在非大气红外观测窗口波段(5
‑
8um)内辐射散热，以达到更好的隐身效果。
33.第二光子晶体层4，该结构位于超表面辐射层下面，由相变材料薄膜和电介质材料薄膜交替生长构成。光子晶体层具有光子带隙，可通过调节光子晶体层的周期参数改变其带隙位置，需根据电介质材料种类以及要调控的波长范围来选择合适的光子晶体周期参数。光子带隙的存在可以禁止对应波长的电磁波在光子晶体内传播，也就实现了对该波段的超低辐射率。在本实施例当中，由gst薄膜与二氧化硅薄膜交替排列构成，如图3，gst薄膜厚度为205nm，二氧化硅厚度为600nm，一层gst薄膜与一层二氧化硅薄膜构成一个周期，周期个数在4
‑
8个之间。
34.其中gst材料有两种相态，晶态与非晶态，可通过分区控制电极控制其相态。当gst的相态发生变化时，光子晶体的带隙会发生改变，导致整个结构的在3
‑
5um的辐射率会发生巨大的改变。在上面的条件下，当gst处于非晶态时，该结构在3
‑
5um有很低的辐射率，而gst处于晶态时，其辐射率会大幅增加。
35.第一光子晶体层3，该结构位于第二光子晶体层4下面，结构和第二光子晶体层4类似，也是由相变材料与电介质材料构成的一维周期性结构，或者采用与第二光子晶体层4的相变材料与电介质材料具有不同折射率的第二组相变材料与电介质材料组成。但其薄膜厚度较第二光子晶体层4来说较厚，因为该层调控的是中远红外辐射。也是具有两种功能。当相变材料处于非晶态时，由于此时光子带隙的存在，导致其在8
‑
14um处具有高反射率、低辐射率。而当相变材料处于晶态时，相变材料光学性质发生变化，使得光子晶体带隙位置发生变化，此时该结构在8
‑
14um波段具有较高的辐射率。
36.分区控制电极2，位于整个结构最底层，在被隐身物体1的上方，电极由金属构成，可通过外部寻址电路实现对每一个电极的独立寻址，每个电极作用是电流通过电极而产生热量，通过电极产生的热效应改变其上部结构当中的相变材料的相态。一般对硫系相变材料的控制过程如下：
37.从晶态变成非晶态需要施加一个持续时间很短而幅值很高的脉冲。
38.从非晶态变成晶态需要施加一个持续时间较长而幅值较低的脉冲。
39.分区控制电极可以改变第一光子晶体层3与第二光子晶体层4中的相变材料的相态，进而改变对应光子晶体层在对应波段的辐射率，达到对隐身效果的开/关作用。
40.结合上述三种结构的薄膜，可以实现以下功能：相变材料处于晶态时，具有红外隐身能力，而相变材料处于非晶态时，不具备隐身能力。
41.通过给分区控制电极施加一定的电流脉冲，可以改变电极上方的相变材料的相态，实现相变材料在晶态与非晶态之间的可逆变换。进而实现对隐身效果的
‘
开
’‘
关’能力。分区域控制隐身效果
‘
开
’‘
关’的能力可以实现对物体的局部隐身，可以改变物体的红外特征图像，达到伪装、迷惑的目的。
42.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或
者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
43.应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。