基于相變材料GST的紅外隱身多層膜設(shè)計與光譜性能研究

黎思睿, 李 佳, 劉 科, 2, 黃奕嘉, 李 玲, 周曉林

(1. 四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院, 成都610101；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 成都611756)

1 引 言

傳統(tǒng)的紅外隱身材料多是在紅外大氣窗口具有低發(fā)射率的材料[1-6]. 此類偽裝材料的發(fā)射率固定且不可控. 當(dāng)背景溫度發(fā)生變化時, 背景的輻射溫度和材料的輻射溫度往往不匹配, 因而失去偽裝能力[7]. 所以傳統(tǒng)的低發(fā)射率材料難以適應(yīng)背景溫度變化情況下紅外隱身的需求. 為了實現(xiàn)在不同背景溫度條件下的紅外隱身, 我們需要研究具有可調(diào)發(fā)射率的紅外隱身材料. 根據(jù)基爾霍夫定律, 物體的發(fā)射率等于熱平衡狀態(tài)下的吸收率[8]. 所以要實現(xiàn)發(fā)射率可調(diào), 就要實現(xiàn)吸收率可調(diào). 此前, 已有研究者利用外加偏壓來改變石墨烯的電導(dǎo)率, 進(jìn)而改變共振頻率, 實現(xiàn)電壓調(diào)頻吸收的可調(diào)諧吸收器[9]. 眾所周知, 石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料, 具有不同費(fèi)米能級的石墨烯的表面電導(dǎo)率不同[10]. 所以, 利用靜電摻雜等技術(shù)在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級, 即可實現(xiàn)可調(diào)諧超材料吸收器[10-13].

基于石墨烯的可調(diào)諧超材料吸收器需要持續(xù)地消耗能量來維持它的某一狀態(tài). 相變材料是一種能在激光、溫度和外加電場等外部條件的刺激下實現(xiàn)從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換的特殊材料[14-18]. Ge2Sb2Te5(GST)是一種常用于超材料設(shè)計的相變材料，且數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域GST已經(jīng)被應(yīng)用了多年[14]. GST是一種可以在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換的材料[19]. 為了表述簡單, 我們將GST為非晶態(tài)時的結(jié)構(gòu)稱為a-GST結(jié)構(gòu), 將GST為晶態(tài)時的結(jié)構(gòu)稱為c-GST結(jié)構(gòu), 而將中間態(tài)GST構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡稱為 i-GST結(jié)構(gòu). 在紅外波段, 不同狀態(tài)的GST擁有不同的電磁性質(zhì), 晶態(tài)的GST (c-GST)在紅外大氣窗口為損耗材料, 而非晶態(tài)的GST(a-GST)在此波段為電磁透明材料[7, 20]. 更重要地是, 除非再次滿足相變條件, 否則在室溫下某一狀態(tài)的GST將維持多年, 即不需要額外的能量去維持GST的狀態(tài)穩(wěn)定[20]. 本文正是利用該材料的特殊性質(zhì), 提出了一種基于GST的具有可調(diào)吸收率的紅外吸收器, 使之具有熱紅外隱身的潛在應(yīng)用價值.

隨著科技的進(jìn)步, 單一波段的隱身技術(shù)很難適應(yīng)不斷發(fā)展的多波段探測技術(shù), 因此多波段兼容隱身技術(shù)愈發(fā)顯得重要[21]. 已經(jīng)有許多研究者開展了關(guān)于紅外-可見、紅外-雷達(dá)和紅外-激光兼容隱身的研究[1, 4, 6, 22]. 為了讓設(shè)計的結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步實現(xiàn)可見光隱身, 我們利用結(jié)構(gòu)生色原理獲得不同的表面顏色. 結(jié)構(gòu)色主要是利用光和微納結(jié)構(gòu)之間的相互作用產(chǎn)生顏色, 是基于干涉、衍射和散射的基本光學(xué)現(xiàn)象[23]. 本文利用薄膜干涉原理, 通過改變結(jié)構(gòu)的薄膜厚度來改變結(jié)構(gòu)的表面顏色, 同時維持結(jié)構(gòu)的紅外吸收性能.

我們設(shè)計了一種利用單一多層膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)吸收率可調(diào)諧, 且具備可調(diào)結(jié)構(gòu)色功能的超材料吸收器. 該吸收器可同時實現(xiàn)在紅外及可見光兩個波段對電磁波的獨(dú)立調(diào)控功能, 使其具有與背景顏色融合的表面顏色且兼具紅外隱身能力. 在背景熱輻射和顏色不同的情況下，它可以偽裝自己, 實現(xiàn)紅外-可見光兼容隱身.

2 設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)

本文利用傳輸矩陣法計算整個結(jié)構(gòu)的紅外吸收光譜. 傳輸矩陣法是一種常用于計算多層膜結(jié)構(gòu)的計算方法. 它具有速度快、矩陣元素少、易于編碼的特點[27-28]. 這些特點使之很容易便能和各種優(yōu)化算法結(jié)合, 用于不同功能的多層膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[29]. 具體的設(shè)計和計算方法見我們之前的工作[30]. 底層Au的厚度固定為足以抑制透射的150 nm, 所以結(jié)構(gòu)的透射近似等于0. 因此, 吸收性能可利用A=1-R來計算, 其中A代表吸收率,R代表透射率. 在使用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計過程中, 我們使用適應(yīng)度函數(shù)objfun=R(λ), 其中λ=10.5 μm, 而R是利用傳輸矩陣法計算的波長為λ時結(jié)構(gòu)的反射率. 優(yōu)化變量為薄膜厚度, 即H1、H2和H3. 利用遺傳算法我們可以得到適應(yīng)度函數(shù)最小時對應(yīng)的薄膜厚度. 由于遺傳算法的隨機(jī)性, 經(jīng)過多次優(yōu)化后, 最佳的厚度為H1=180 nm,H2=100 nm和H3=345 nm.

圖1 吸波器的示意圖, 每層的厚度從頂部到底部分別記為H1,H2,H3和H4

表面顏色的調(diào)控是利用薄膜干涉條件實現(xiàn)的. 薄膜干涉生色是非常常見且簡單的結(jié)構(gòu)色的來源[31]. 一般來說, 發(fā)生相消干涉的波長對應(yīng)著反射谷的波長, 同理相長干涉對應(yīng)著反射峰[32].

我們以最典型的單層薄膜干涉為例. 由于光從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)時, 反射光會有半波損失, 所以薄膜是否附著在折射率較高的襯底上會影響薄膜干涉條件[23]. 對于附著在具有較高折射率的襯底上的薄膜, 干涉條件為：

2nfdcosθb=(m-1/2)λ1

(1)

2nfdcosθb=mλ1

(2)

其中,λ1為發(fā)生相消干涉的波長；λ2為發(fā)生相消干涉的波長；m為整數(shù)；θb為入射角；d和nf分別代表薄膜的厚度和折射率. 從干涉條件可知, 我們可以通過改變薄膜的厚度來改變發(fā)生干涉的波長. 同時, 薄膜的反射光譜也會發(fā)生變化, 由此可以得到不同顏色的薄膜.

在正入射時, c-GST結(jié)構(gòu)的紅外吸收情況如圖2(a)中的紅實線所示. 吸收器在10.5 μm處有94.93%的最大吸收率. 且結(jié)構(gòu)在8～13 μm的平均吸收率為65.59%. 而a-GST結(jié)構(gòu)的紅外吸收情況如圖2(a)中的黑虛線所示, a-GST結(jié)構(gòu)在8～13 μm的最大吸收率僅為9.19%, 且在該波段平均吸收率低達(dá)4.9%. 這說明此吸收器可在單一結(jié)構(gòu)中通過改變GST的狀態(tài)實現(xiàn)最大吸收率從94.93%到9.19%的調(diào)控.

通過控制退火時間或溫度等外部條件使GST部分結(jié)晶, 可以得到中間態(tài)GST(i-GST)[7, 20]. 為了進(jìn)一步說明所提出結(jié)構(gòu)的吸收率的連續(xù)可調(diào)性, 我們還設(shè)計并模擬計算了不同的中間態(tài)GST構(gòu)成的i-GST結(jié)構(gòu). i-GST的介電常數(shù)可由Lorentz-Lorenz關(guān)系獲得[7, 33]：

(3)

其中m代表GST的結(jié)晶率, 取值范圍為0～1；εc和εa分別代表晶態(tài)GST和非晶態(tài)GST的介電常數(shù)；εi代表中間態(tài)GST的介電常數(shù). 由圖2(b)可得, 當(dāng)中間態(tài)GST的結(jié)晶率逐漸上升時, 結(jié)構(gòu)的吸收性能也有提升, 當(dāng)結(jié)晶率為0.25、 0.5和0.75時, 結(jié)構(gòu)的最大吸收率分別為23.15%、43.80%和70.51%, 而結(jié)構(gòu)在8～13 μm的平均吸收分別為12.33%、25.37%和45.34%. 也就是說, 可以通過控制GST的相變來連續(xù)控制結(jié)構(gòu)的吸收率. 具有這樣特點的吸收器可以應(yīng)用于具有不同背景溫度的熱紅外隱身.

物體的表面顏色與其在可見光波段的反射光譜有關(guān), 而結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生主要與頂部的兩層薄膜反射有關(guān). 計算過程中使用的ZnS和Ge的光學(xué)常數(shù)來自參考文獻(xiàn)[34-35]. 如圖2(c)所示, 該結(jié)構(gòu)的反射光譜在462 nm處存在反射率約50.72%的反射峰, 也就是說, 在8～13 μm波段具有可調(diào)吸收率的同時, 還兼具特定的顏色.

此外, 因結(jié)構(gòu)色的產(chǎn)生主要與頂部的兩層薄膜有關(guān). 如圖1所示, 我們將頂部兩層定義為Part I, 剩下的底部兩層定義為Part II. 如圖2(c)所示, 首先, 我們分別模擬計算了只含Part I結(jié)構(gòu)的可見光反射光譜(紅虛線), 以及包含Part I和Part II兩部分整體結(jié)構(gòu)的反射光譜(黑實線). 研究表明, 在波長小于600 nm時, 兩種結(jié)構(gòu)的可見光反射光譜的差別并不大, 兩條曲線基本重合. 其次, 如圖2(d)所示, 僅存在Part I結(jié)構(gòu)的可見光透射光譜(藍(lán)虛線)中, 當(dāng)波長小于600 nm時, 透射率非常小；而當(dāng)波長大于600 nm時, 透射率開始增大, 但不高于10%. 這一現(xiàn)象與Ge在可見光波段的光學(xué)性質(zhì)有關(guān). Ge在可見光波段有著相對較高的消光系數(shù), 是損耗材料[35]. 因此Part I中厚度為100 nm的Ge薄膜吸收耗損了大部分ZnS薄膜透射的光, 即入射的可見光大部分無法穿透Part I中的Ge薄膜. 由此, 結(jié)構(gòu)色主要由頂層Part I 產(chǎn)生, 且實現(xiàn)了對可見光的獨(dú)立調(diào)控. 為了進(jìn)一步說明頂層薄膜厚度對結(jié)構(gòu)色顏色的調(diào)控功能, 頂層ZnS的厚度分別設(shè)計為150、180、210和240 nm, 反射光譜如圖3(a)所示, 由圖3(a)可知, 不同頂層厚度結(jié)構(gòu)的可見光反射光譜對應(yīng)的反射峰波長明顯不同. 如圖3(b)和3(c)所示, 計算了頂層厚度H1在130和260 nm之間變化時, 結(jié)構(gòu)的CIE坐標(biāo)值及其對應(yīng)顏色, 并將其在CIE 1931色度圖中用黑點標(biāo)出. 由圖3可知, 我們可以通過改變頂層ZnS的厚度改變結(jié)構(gòu)的表面顏色, 進(jìn)而使結(jié)構(gòu)與環(huán)境融合, 實現(xiàn)偽裝. 同時考慮到結(jié)構(gòu)的紅外吸收性能, 此結(jié)構(gòu)可以分別通過控制頂層厚度和GST的相變過程, 調(diào)控相應(yīng)波段的光譜, 實現(xiàn)可見和紅外的兼容隱身.

圖2 (a) a-GST結(jié)構(gòu)(虛線)及c-GST結(jié)構(gòu)(實線)的吸收光譜; (b) GST的結(jié)晶率不同時結(jié)構(gòu)的紅外吸收光譜, 其中i-GST的結(jié)晶率分別為0.75(i-GST(3))、0.5(i-GST(2))和0.25(i-GST(1))；(c) 整個結(jié)構(gòu)(實線)和僅存在Part I(虛線)的情況的可見光反射光譜; (d) 僅存在Part I結(jié)構(gòu)的可見光反射(實線)和透射(虛線)光譜

圖3 頂層厚度對可見光反射光譜和表面顏色的影響: (a)模擬計算的吸波器在頂層厚度H1不同的情況下的可見光反射光譜; (b)在CIE1931色度圖中用黑點標(biāo)記的H1以5 nm為步長從130 nm變化到260 nm的CIE(x,y)色度坐標(biāo); (c)結(jié)構(gòu)的頂層厚度從130 nm變化到260 nm 的顏色及其對應(yīng)色度圖坐標(biāo)CIE(x, y)(線上彩色)

本文結(jié)構(gòu)的紅外吸收主要?dú)w功于GST本身的損耗特性以及干涉效應(yīng). 如前文所述, 在紅外波段c-GST是損耗材料, 而a-GST是無損材料，這與不同狀態(tài)GST結(jié)構(gòu)的吸收率是對應(yīng)的. 為了進(jìn)一步說明結(jié)構(gòu)和材料對吸收性能的影響, 我們計算了不同波長時不同狀態(tài)的GST結(jié)構(gòu)的功率損耗密度分布. 如圖4(a)所示, c-GST結(jié)構(gòu)中, 吸收大多發(fā)生在具有固有損耗的c-GST層中, 同時底部的Au層中只發(fā)生較少部分的吸收. 而如圖4(b)所示, 在a-GST結(jié)構(gòu)中, a-GST層中并不存在吸收損耗, 只有底層Au中存在吸收, 這對應(yīng)著a-GST結(jié)構(gòu)小于10%的吸收. 這說明了c-GST的固有損耗對結(jié)構(gòu)實現(xiàn)紅外吸收的貢獻(xiàn).

為了實現(xiàn)a-GST結(jié)構(gòu)的低吸收, 底層金屬我們選擇了低固有損耗的貴金屬Au. 作為對比, 我們模擬計算了底層金屬材料為高損耗的鎳鉻合金的結(jié)構(gòu)的吸收率(結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為H1=180 nm,H2=100 nm,H3=270 nm和H4=150 nm). 如圖4(c)所示, 當(dāng)GST為晶態(tài)時, 底層材料Au和鎳鉻合金的結(jié)構(gòu)都有大于90%的最大吸收率. 而且底部金屬為鎳鉻合金的c-GST結(jié)構(gòu)的吸收帶寬更寬, 這是因為鎳鉻合金本身具有高固有損耗. 如圖4(d)所示, 當(dāng)結(jié)構(gòu)中的GST為非晶態(tài), 底部材料為鎳鉻合金的結(jié)構(gòu)的最大吸收率仍高達(dá)94.52%, 而平均吸收高達(dá)69.41%. 即底部材料為鎳鉻合金的結(jié)構(gòu)不能通過調(diào)節(jié)GST的狀態(tài)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的紅外吸收率. 因此, 鎳鉻合金之類的高損耗金屬材料不適合作為吸收率可調(diào)的超材料吸收器的底層金屬.

圖4 功率損耗密度隨波長和位置變化的分布和不同底部材料的結(jié)構(gòu)的吸收光譜: 在8～13 μm范圍內(nèi), (a) c-GST結(jié)構(gòu)及 (b) a-GST結(jié)構(gòu)功率損耗密度隨波長和位置變化的分布; 底層材料分別為Au和鎳鉻合金時, (c) c-GST結(jié)構(gòu)和(d) a-GST結(jié)構(gòu)的吸收光譜(線上彩色)

由前面的分析可知, 設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以通過改變頂層薄膜厚度改變結(jié)構(gòu)的表面顏色, 實現(xiàn)對可見光的獨(dú)立調(diào)控. 因此有必要探究頂層薄膜厚度的變化是否對結(jié)構(gòu)的紅外吸收性能有較大影響. 圖5(a)計算了頂層ZnS厚度在130～260 nm范圍內(nèi)變化時, 結(jié)構(gòu)在8～13 μm的吸收光譜. 可以看出, 當(dāng)頂層厚度變化時, 結(jié)構(gòu)仍保持著出色的吸收表現(xiàn), 其最大吸收率始終大于94%. 這意味著頂層厚度的變化對吸波器的吸收性能影響較小, 不會造成結(jié)構(gòu)的吸收性能明顯下降.

圖5 頂層厚度和入射角對結(jié)構(gòu)吸收性能的影響: (a)模擬計算的吸波器在頂層厚度H1不同的情況下的紅外吸收率; (b)TE模式和(c)TM模式下入射角為0°到60°時的吸收圖譜; (d)入射角不同時結(jié)構(gòu)對TE和TM極化的平均吸收率(ATE+ATM)/2

在實際應(yīng)用中, 入射角對結(jié)構(gòu)吸收性能的影響同樣值得探究. 如圖5(b)～5(d)展示了入射角在0°到60°變化時, 結(jié)構(gòu)在8～13 μm的吸收光譜. 無論是TE極化波(圖5(b))還是TM極化波(圖5(c)), 結(jié)構(gòu)的吸收率都受到入射角的影響，但是受影響的情況不同. 對TE波而言, 結(jié)構(gòu)的紅外吸收率的最大值隨著入射角增大的而變化, 當(dāng)入射角為50°時, 結(jié)構(gòu)的最大吸收率可達(dá)99.97%, 大于正入射時的94.93%. 吸收峰的位置并未發(fā)生明顯移動, 仍約為10.5 μm. 而且隨著入射角的增大吸收峰的帶寬略有降低, 吸收大于70%的帶寬由正入射時的2.46 μm下降為入射角為60°時的1.77 μm. 對TM波而言, 吸收性能隨著入射角的增加而逐漸降低, 當(dāng)入射角為60°, 結(jié)構(gòu)的最大吸收率下降為81.95%, 且吸收峰的位置移動至9.57 μm. 因為紅外攝像機(jī)同時接受TE和TM兩種極化的輻射, 所以我們還計算了吸收器的TE和TM極化的平均吸收率((ATE+ATM)/2). 由圖5(d)可知, 吸收器對TE和TM極化波的吸收率的平均值不敏感. 也就是說, 我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)的紅外隱身性能對觀測角度不敏感.

4 總 結(jié)

本文設(shè)計了一種利用簡單的多層膜結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)可調(diào)表面結(jié)構(gòu)色顏色和可調(diào)紅外吸收率的超材料吸收器. 通過將傳輸矩陣法和遺傳算法結(jié)合, 完成了多層膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計. 設(shè)計的結(jié)構(gòu)表面顏色可以通過改變頂層薄膜的厚度進(jìn)行變化. 同時, 我們利用晶態(tài)和非晶態(tài)的GST在8～13 μm相差較大的介電常數(shù)性能, 通過改變GST的結(jié)晶狀態(tài)，在單一結(jié)構(gòu)中設(shè)計實現(xiàn)了吸收率從94.93%到9.19%的變化. 該結(jié)構(gòu)能在紅外及可見光兩個波段獨(dú)立地實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控, 使其具有紅外-可見兼容隱身的潛在應(yīng)用. 對電磁隱身超材料的設(shè)計和實驗制備具有指導(dǎo)和借鑒意義.