基于FTO/Ag/FTO構型的高透明紅外隱身薄膜設計*

王龍 汪劉應 劉顧 唐修檢 葛超群 王濱 許可俊 王新軍

(中國人民解放軍火箭軍工程大學智劍實驗室,西安 710025)

1 引言

隨著熱紅外、可見光、激光、雷達等探測技術的快速發展與聯合應用[1-4],單一頻段的隱身材料技術已經在規避探測、識別與打擊領域顯得舉步唯艱,而多頻譜兼容隱身材料已成為勢在必行的發展趨勢.然而,多頻譜兼容隱身材料設計通常存在不同頻段隱身原理沖突的技術瓶頸,譬如紅外高反射與可見光高透視、激光低反射等光譜響應訴求都存在截然相反的相互制約關系.當前紅外與可見光兼容隱身材料已經成為光電隱身技術領域的重中之重,且主要實現途徑是采用著色的低紅外發射率涂料[5,6],但其發射率偏高,且色調過亮而難以融合于背景.韓超[7]將添加不同著色顏料的鋁粉印制于織物而呈現不同色彩,并在鋁粉含量為25%時的發射率可低至0.554.王自榮等[8]發現SnO2含量為5%時ITO顏色涂層在8—14 μm波段的發射率最低為0.6.

超構材料[9-14]具有可見光譜-紅外輻射-微波吸透特性的選擇性調控能力,為多頻譜兼容隱身一體化設計提供了重要途徑,日漸倍受關注.Xiong等[15,16]設計了一類具備光學透明與寬帶微波吸收特性的多層超材料吸收體(multilayer metamaterial absorber,MMA),由氧化銦錫(ITO)基頻率選擇表面、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與低電阻率ITO反射層構成的“三明治”層狀結構,其微波吸收有效帶寬可擴展覆蓋2.64—18 GHz,并在400—800 nm可見光波段的平均透射率不低于50%.黎思睿等[17]基于Ge2Sb2Te5相變材料開展了紅外隱身薄膜結構設計及其光學性能研究,形成結構色與紅外吸收率的動態調控功能,從而實現可見光與紅外兼容隱身效果.牛帥等[18]設計了一種基于超材料的寬帶微波/紅外兼容隱身結構器件,可在2—18.6 GHz微波吸收率高達90%且紅外發射率低于0.3.朱桓正[19]利用波長選擇性吸收超表面的分層結構,通過表面ZnS減反層、Ge/ZnS光子晶體以及Cu-ITO-Cu三層結構吸波超材料的耦合作用,實現在中遠紅外輻射率低至0.12,微波X波段吸收率大于0.9,并且可呈現多種顏色的多頻譜兼容隱身性能.基于微結構的光學特性選擇調控材料研究尚停留在機理研究、結構設計與性能驗證階段,仍迫待尋求更多新技術途徑去破解多頻譜兼容隱身難題.

為了解決可見光隱身與紅外隱身對光譜響應訴求和材料設計要求有所不同的技術難題,利用層狀薄膜構型設計方法實現可見光/紅外兼容隱身已經成為新途徑.電介質/金屬/電介質(dielectricmetal-dielectric,DMD)結構[20-22]是一類人工設計的新穎薄膜材料,當前大都局限于被應用在光電器件的透明導電薄膜.通過把高反射金屬層嵌入到兩電介質層中間時,DMD結構可抑制來自金屬層的可見光反射特性,達到一種選擇性透射增強的效果.Daeil[23]設計的TiO2/Au/TiO2在550 nm波長處實現光學透射率達到76%.與Au相比,Ag在可見光范圍內具有更好的光透過性.Liu等[24]制備了ZnS/Ag/ZnS膜層結構,在500 nm波長處可見光透射率與1.7 μm波長處近紅外反射率都高達90%.盡管DMD膜層結構具有優異的可見光透射特性,但有關紅外反射特性的研究僅局限在2.5 μm之前的近紅外波段,卻在熱紅外探測常用的中遠紅外波段光學特性及其紅外隱身方面的研究報道十分鮮見.為此,基于FTO/Ag/FTO三層膜堆疊DMD結構的多重光學效應耦合機制,提出一種新型的可見光高透視/紅外低輻射兼容隱身體系,可貼附于特種車輛的迷彩涂層表面實現紅外與可見光兼容隱身防護,并能用于駕駛艙窗戶確保不影響視野前提下實現隔熱控溫與紅外隱身的效果.因此,本文所開展的FTO/Ag/FTO構型復合薄膜的光譜特性與紅外輻射選擇性調控機制、高透明紅外隱身薄膜設計及其性能實驗驗證等內容研究,為多頻譜兼容光學隱身材料設計及應用提供新思路.

2 FTO/Ag/FTO構型復合薄膜的設計方法

2.1 膜層結構的光學特性仿真方法

In2O3基、SnO2基、ZnO基三類半導體薄膜的可見光透射性能較好,且在近紅外波段的反射性能良好,但對3—5 μm,8—14 μm中遠紅外輻射抑制能力卻十分有限.Au,Ag,Cu等金屬薄膜在紅外輻射抑制作用強,但透光性與熱穩定性較差.因此,通過在金屬膜上下各疊加一層光學透射率高且熱穩定好的半導體介質層構成減反射層/紅外低輻射層/干涉層的復合薄膜,形成圖1所示三層堆疊的電介質/金屬/電介質(DMD)結構,利用膜層材料體系設計來獲得最佳光學性能,實現可見光透射誘導、紅外輻射抑制等光學效應協同增益作用.鑒于Ag薄膜的可見光波段吸收率低于5%,并具有寬域的高紅外反射率,因此遴選Ag薄膜DMD結構的中間功能層.由于Ag膜層厚度過薄(＜10 nm)時難以生長為連續薄膜形式,同時Ag膜層增大至20 nm時可見光波段的反射與吸收均有較大程度增強而影響透光性能,因此Ag膜層厚度設計在10—20 nm時最為合宜.由于FTO(摻雜氟的SnO2)具有成本低、制備簡單、光學性能適宜、熱穩定性好等優點,因此用于DMD結構介質層實現導納匹配而增強透射,并保護Ag薄膜的抗氧化作用.綜上,基于DMD構型的FTO/Ag/FTO復合薄膜研發一種可見光高透明與紅外低輻射雙功能兼容型隱身薄膜材料,使之覆蓋于迷彩隱身結構表面,便能達到紅外/可見光兼容隱身防護效能.

圖1 DMD膜層結構Fig.1.DMD film structure.

根據薄膜光學理論,采用傳輸矩陣理論計算方法分析FTO/Ag/FTO三層堆疊薄膜結構特征對可見光透射與紅外反射光譜的影響機制.若波長為λ的光波以入射角度θ0從折射率為n0的空氣層進入FTO/Ag/FTO復合薄膜結構,在薄膜介質層中傳輸的光波可視為下行波與上行波的相互疊加.若dl,nl,θl分別為第l層介質的厚度、折射率與折射角時,則光波在第l層介質中傳輸的特征矩陣Ml為[25]

式中,導納ηl為[25]

同時,膜層結構中各層的nl和θl符合Snell定律,即:

三層堆疊的DMD結構的特征矩陣Mall為

若空氣導納為η0,基底導納為ηk+1,則入射DMD結構表面的反射率R與透射率T分別為

2.2 雙功能兼容膜層結構的優化設計方法

根據FTO/Ag/FTO構型隱身薄膜對可見光高透明與紅外低輻射雙功能兼容的目標需求,構建一個表達式(7)所示的膜層結構性能優化函數Z,利于對其膜層結構實行進一步的優化設計:

式中Tvis為0.38—0.78 μm可見光積分透射率,可表達為[26]

其中T(λ)為膜層結構的光譜透射率,Dλ為D65標準光源的相對光譜功率分布,V(λ)為人眼的視見系數;ε(T)為3—14 μm紅外積分發射率,可表達為[26]

其中R(λ)為膜層結構的光譜反射率,Eλ,b(λ,T)為黑體光譜發射功率,C1=3.742×108W·μm4·m-2,C2=1.439×104μm·K,溫度T取300 K.

3 FTO/Ag/FTO構型復合薄膜光學特性的仿真分析

3.1 可見光透射光譜的影響機制

基于傳輸矩陣理論計算方法分析FTO/Ag/FTO復合薄膜結構特征對可見光透射光譜的影響規律.FTO/Ag/FTO膜層結構中半導體介質FTO薄膜厚度對380—780 nm波段可見光透射光譜的影響規律,如圖2所示.當Ag薄膜與內層FTO薄膜的厚度分別為15 nm和30 nm時,外層FTO薄膜厚度對可見光透射光譜的影響如圖2(a);當外層FTO薄膜與Ag薄膜的厚度分別為30 nm和12 nm時,內層FTO薄膜厚度對可見光透射光譜的影響如圖2(b).顯然,內外兩層半導體介質FTO薄膜對可見光透射光譜的影響規律具有相似性.FTO/Ag/FTO膜層結構在半導體介質層厚度較薄時,在可見光中波段的透射率相對較高,并且透射光譜曲線呈現為凸峰狀.隨著半導體介質層厚度的增大,在中波的透射率逐漸有所降低,但在長波、短波的透射率逐漸增大,且長波處的透射峰值產生紅移,使得可見光透射光譜曲線趨于平整化,因此高透射頻域逐漸變寬.同時,隨著FTO薄膜厚度增大,可見光平均透射率先不斷增大然后逐漸減小.總體而言,FTO薄膜厚度為35—40 nm時的整個可見光波段透光效果較佳,并與12—15 nm厚度的Ag薄膜構成的FTO/Ag/FTO膜層結構等效導納匹配性較好,誘導透射效應較為顯著.此外,隨著FTO薄膜厚度的增大,導致光在膜層結構中干涉作用的光程差增大,導致透射峰值趨于長波方向偏移.

圖2 半導體介質層對可見光透射光譜的影響 (a)外層;(b)內層Fig.2.Effect of semiconductor dielectric layer on visible transmission spectrum: (a) Outer layer;(b) inner layer.

當內外兩層FTO薄膜厚度均為30 nm時,中間Ag薄膜厚度對FTO/Ag/FTO膜層結構可見光透射光譜的影響規律如圖3所示.Ag薄膜層對可見光透射的影響程度明顯大于FTO半導體介質層.隨著Ag薄膜層厚度逐漸增大,可見光的透射峰值向短波方向藍移,且短波段透射率逐漸增大,但長波段透射率卻不斷顯著降低.因此,可見光透射光譜曲線由“寬頻域”高透射的相對平整狀態轉變為“高頻化”高透射的凸峰狀,使得可見光透射頻域逐漸變窄且平均透射率逐漸變差.這是因為Ag薄膜厚度越大,對可見光的吸收與反射作用都會增強,進而導致透過程度減弱.同時,由于Ag薄膜材料介電常數的頻散特性,導致可見光長波段的透射特性惡化影響程度更顯著.

圖3 金屬層對可見光透射光譜的影響Fig.3.Effect of metal layer on visible transmission spectrum.

當FTO/Ag/FTO膜層結構各層厚度為30/15/30 nm時,[FTO/Ag]T/ FTO(即[DM]TD構型)膜系結構的周期數T對可見光透射光譜的影響規律如圖4所示.隨著周期數的增大,可見光透射峰值向短波方向逐漸藍移,且透射光譜曲線由“寬頻域”高透射狀態向“高頻化”高透射狀態轉變,導致可見光透射狀態不斷變差.尤其,當膜系結構周期數由1增至2時,導致可見光透射狀態顯著性變差.這是因為隨著[DM]TD構型膜層結構的周期數越大,相消干涉的光波越多,同時可見光吸收也隨介質膜層增加而增強,從而導致可見光透射狀態變差.

圖4 膜系結構周期數對可見光透射光譜的影響Fig.4.Effect of the cycle number of film structure on visible transmission spectrum.

3.2 紅外反射光譜的影響機制

基于傳輸矩陣理論計算方法分析FTO/Ag/FTO復合薄膜結構特征對紅外反射光譜的影響規律.圖5展示了中間層Ag薄膜厚度對FTO/Ag/FTO膜層結構在3—14 μm中遠紅外反射光譜的影響規律.紅外反射率隨著Ag薄膜厚度的增大而增大,越利于降低紅外發射率,但在Ag薄膜厚度大于18 nm后的變化幅度卻顯著變小.這是得益于Ag薄膜自身的紅外高反射特性,是抑制紅外輻射的功能層,因此其厚度越大則紅外反射作用越強.

圖5 金屬層對紅外反射光譜的影響Fig.5.Effect of metal layer on infrared reflection spectrum.

半導體介質層FTO薄膜厚度對FTO/Ag/FTO膜層結構紅外反射光譜的影響規律如圖6所示.盡管紅外反射率隨著FTO薄膜厚度的增大而稍微略有增大,但其變化程度幾乎可以忽略不計.FTO/Ag/FTO膜層結構的紅外發射率主要取決于中間的Ag薄膜層,而FTO薄膜對中遠紅外反射率的作用較弱,因此在恒定厚度的Ag薄膜時的紅外輻射抑制功能不會發生顯著性變化.

圖6 半導體介質層對紅外反射光譜的影響 (a)外層;(b)內層Fig.6.Effect of semiconductor dielectric layer on infrared reflection spectrum: (a) Outer layer;(b) inner layer.

[FTO/Ag]T/ FTO(即[DM]TD構型)膜系結構的周期數T對紅外反射光譜的影響規律如圖7所示.隨著周期數由1個增至2個時,紅外反射率最初有大幅度增加,并在3—14 μm全波段均達到＞95%高反射狀態,利于降低膜系結構的紅外發射率.然而,之后隨著周期數的增加,對紅外反射率的影響已經十分微弱.這是因為隨著周期數的增大,導致Ag薄膜的層數增多,使得紅外反射效果越好.同時,當Ag薄膜的層數為2時反射率已接近1,使得反射率增長幅度變小.鑒于膜系結構的周期數增長至2時可見光透射急劇變差而不適合高透光功能需求,但在周期數為1時卻能兼顧可見光高透明與紅外低輻射的雙功能需求,因此遴選膜層結構為單層Ag薄膜的FTO/Ag/FTO構型最合宜.

圖7 膜系結構周期數對紅外反射光譜的影響Fig.7.Effect of the cycle number of film structure on infrared reflection spectrum.

3.3 高透明紅外隱身薄膜結構的優化設計

運用最速下降法以性能優化函數Z進行膜層結構優化計算,最終獲得優化后的FTO/Ag/FTO膜層結構各層的厚度為40/12/40 nm,且其可見光透射與紅外反射的光譜特性如圖8所示.該膜層結構呈現出寬域的可見光高透射與紅外高反射特征.在理論計算層面,可實現380—780 nm波段可見光平均透射率為93.31%,且3—14 μm波段紅外平均反射率為85.39%,滿足高透明紅外低輻射隱身的需求.

圖8 優化后FTO/Ag/FTO膜層結構的光譜特性 (a)可見光透射;(b)紅外反射Fig.8.Spectral characteristics of optimized FTO/Ag/FTO film structure: (a) Visible light transmission;(b) infrared reflection.

4 實驗驗證

鑒于磁控濺射技術存在蒸鍍速率較快、基片熱效應較弱、鍍膜材料選擇范圍較廣等優勢,采用Kurt J.Lesker LAB18型號磁控濺射儀器在石英片基底上鍍制結構優化后的FTO/Ag/FTO (各層厚度40/12/40 nm)薄膜樣件.采用島津SOLID3700型號紫外-可見光-近紅外分光光度計測量樣件0.38—0.78 μm可見光透射光譜.首先設置波長范圍為可見光波段,采樣間隔為1 nm,并設置積分球附件狹縫寬為20 nm,采用雙光束模式和標準S/R轉換,之后利用BaSO4標準白板測量基線,并以空氣的透射率為100%,再將待測樣品固定在樣品臺上測試其透射率.采用Bruker 80型號傅里葉紅外光譜儀測量樣件在3—14 μm中遠紅外反射光譜.首先設置分辨率4 cm-1,掃描速率2.5 kHz,光闌設置6 mm,采用RT-DLaTGS檢測器和KBr分束器,之后積分球采用標準金基底進行基線掃描,最后再將樣品固定在樣品上進行測量其紅外反射光譜.此外,為了驗證FTO/Ag/FTO薄膜樣件在不同溫度環境下的紅外隱身特性,利用加熱平臺從室溫加熱至50,90,110,130,150 ℃等環境溫度下拍攝樣件的3—5 μm和8—14 μm熱像圖.

圖9展示了FTO/Ag/FTO薄膜樣件的宏觀透光效果及其光譜特性.該實物具備高透明的視覺效果,如圖9(a),完全可以將背景無色差的體現出來,即能貼附于裝備的迷彩隱身結構表面而與可見光隱身兼容,也能用于裝備駕駛窗戶而不影響人員視野.可見光透射光譜如圖9(b)所示,在0.38—0.78 μm可見光波段的透射率大都高于80%,且平均透射率為82.52%,能實現可見光全波段的寬域高透射效果,能確保背景色澤能被透視準確復現到薄膜樣件另一側端.紅外反射光譜如圖9(c)所示,在3—14 μm的中遠紅外反射率大都高于80%,且其平均反射率為81.46%,具備寬域紅外高反射特征,能確保較低的紅外發射率,從而實現中遠紅外隱身功能.綜上,盡管受限于鍍膜制備誤差、仿真折射率及其頻散特性偏差、基底光學屬性的綜合影響,導致實物樣件的光學特性與仿真設計結果存在一定程度的偏差,但該實物樣件依舊能保證可見光高透射、紅外高反射的雙功能兼容隱身目標需求,充分驗證了仿真優化設計方法的可靠性與有效性.

圖9 樣件的光學特性 (a)實物透光效果;(b)可見光透射光譜;(c)紅外反射光譜Fig.9.Optical characteristics of sample: (a) Physical transparency effect;(b) visible transmission spectrum;(c) infrared reflectance spectrum.

在不同環境溫度下FTO/Ag/FTO薄膜樣件的3—5 μm和8—14 μm熱像圖分別如圖10和圖11所示,并得到樣件表面平均熱輻射溫度的變化如圖12所示.其中,采用石英片基底作為FTO/Ag/FTO薄膜樣件的對照組.可見,在最初的室溫狀態下,樣件和石英片在3—5 μm和8—14 μm波段的輻射溫度基本一致.然而,樣件與石英片之間的溫差隨著溫度升高而逐步增大,因此樣件越加表現出優異的紅外低輻射隱身特性.同時,由于熱輻射波長隨著溫度的增大會產生藍移現象,從而導致3—5 μm和8—14 μm兩個紅外波段之間的輻射溫度差也逐漸增大.到150 ℃時,3—5 μm波段的樣件輻射溫度為91 ℃,比石英片的輻射溫度低49 ℃;而8—14 μm波段的樣件輻射溫度為63.8 ℃,比石英片的輻射溫度低75.8 ℃.因此樣件的遠紅外隱身效果更佳.綜上,FTO/Ag/FTO薄膜樣件具備較好的高溫紅外熱輻射抑制能力,在3—5 μm中紅外與8—14 μm遠紅外均具備較好的隱身特性.

圖10 FTO/Ag/FTO復合薄膜在不同環境溫度下的3—5 μm中紅外熱像圖 (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃Fig.10.3-5 μm mid-infrared thermal image of FTO/Ag/FTO composite films at different environmental temperatures: (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃.

圖11 FTO/Ag/FTO復合薄膜在不同環境溫度下的8—14 μm遠紅外熱像圖 (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃Fig.11.8-14 μm far-infrared thermal image of FTO/Ag/FTO composite films at different environmental temperatures: (a) 24 ℃;(b) 50 ℃;(c) 90 ℃;(d) 110 ℃;(e) 130 ℃;(f) 150 ℃.

圖12 樣件在中遠紅外的輻射溫度變化Fig.12.Radiation temperature changes of the sample in the mid-far infrared band.

5 結論

基于FTO/Ag/FTO三層堆疊結構有效協同可見光透射誘導、紅外輻射抑制等光學效應,提出了一種可見光高透射與紅外高反射雙功能兼容的新型隱身薄膜.首先,建立了DMD構型高透明紅外隱身復合薄膜仿真設計與優化方法,分析了FTO/Ag/FTO膜層結構特征對可見光透射與紅外反射的影響機制.可見光透射取決于半導體介質層與金屬層耦合匹配作用,而紅外輻射抑制主要取決于金屬層.此外,隨著[FTO/Ag]T/ FTO膜系結構的周期數增大,雖利于紅外反射增強,但可見光透射顯著性變差.繼而,以高透明與紅外隱身雙功能兼容目標需求為牽引,經最優化設計后的FTO/Ag/FTO膜層結構各層厚度為40/12/40 nm.最后,從實驗角度驗證了設計方法的有效性.FTO/Ag/FTO薄膜樣件具備全波段可見光高透射且寬域紅外高反射特征,即能確保背景色澤被透視復現,還能確保高溫紅外低輻射能力,利于實現可見光與紅外兼容隱身功能.