基于VO2相变材料多层腔结构红外辐射特性研究文献综述

文献综述

随着超材料相关技术的发展和红外波段日益增加的应用需求，红外波段的超材料设计应用受到了人们越来越多的关注。红外超材料吸波结构是近年来出现的一种人工电磁结构材料，这种人工电磁结构材料在红外波段表现出自然材料无法实现的电磁谐振特性，研究人员将其作为近年红外光波段的研究热点。这种人工电磁结构材料极大地拓展了自然物质与红外波段电磁波的相互作用方式，使得红外超材料吸波结构在红外隐身、红外传感和选择性热辐射等领域有非常大的应用潜力。VO₂在材料世界以其迅速和突然的相变而显得与众不同，其相变温度为68℃。二氧化钒所具有的导电特性让其在光器件、电子装置和光电设备中具有广泛的应用潜力，而基于VO₂相变材料多层腔结构相对于VO₂更具有发展应用前景。本文通过查阅文献对VO₂的热辐射特性，以及基于VO₂可调谐结构的红外辐射特性进行总结，归纳了国内外基于金属等离子体效应，二氧化钒红外吸收和辐射特性的研究现状

1. 正文

2.1 VO₂的特性

二氧化钒（VO₂）是一种不同于其他众多金属氧化物的相变材料，相变温度为68℃。在68℃以下VO₂的晶体结构呈现绝缘单斜相（M），在68℃以上呈现金红石相（R），正是由于正是由于这种晶体结构的变化导致了VO₂在光性能和电性能方面表现出可逆的突变^[1]。在低温（68℃以下）下VO₂表现出高红外光透过性，高温（68℃以上）下则突变为低红外光透过性，从而可实现高温隔热、低温保暖及热致变色等功能。另外，VO₂在低温（68℃以下）下具有高的电阻率、表现出优异的绝缘性，而在高温（68℃以上）下则具有低的电阻率、表现出优异的导电性，一般电阻率的变化在4-5个数量级^[2-4]。

2.2 国内外对基于VO₂相变材料红外吸收和辐射特性的研究现状

二氧化钒(VO₂)作为控制辐射传热的一种很有前途的相变材料，自问世以来，受到国内外学者的广泛关注。仅仅依靠VO₂的相变来设计可调谐红外设备还达不到现实应用

的需求。因此，国内外学者通过将VO₂与其他金属或绝缘体结合在一起，研究基于VO₂

耦合装置的辐射特性研究。

Sayan Chandra等人^[5]设计了由互补金孔/磁盘阵列、三层腔体结构和反射背镜组成的动态可调腔耦合吸收器结构，该三层腔体结构包括一层SiO₂、VO₂和一种聚合物。通过实验发现，由于VO₂层经历了从半导体到反射金属的相变，腔长几乎缩短了VO₂和SiO₂层之和的厚度，VO₂中的急剧相变引起腔长的突然变化，从而导致可调节的光学响应。再此发现的基础上，Sayan Chandra等人将此应用在像素化表面上调节多光谱操作，使得每个像素对选择的波长灵敏感应，从而实现伪装。为了验证这一点，将爱因斯坦的图像编码到一个表面，通过加热VO₂层，在T=360K下，图像成功伪装。通过实验及仿真模拟发现，通过调整等离子体晶体的设计，即孔/盘直径和周期性，可以控制系统的光学响应。此外，还可以优化光学腔中组成层的相对厚度，以调整系统在VO₂两种状态之间的红外响应。

Kota Ito等人^[6]提出VO₂-绝缘体-金属超表面（将VO₂做成长方形贴片，金属层与VO₂贴片沉积在绝缘层两侧），并将金属状态下的热辐射交换与绝缘状态下的热辐射交换相比较，发现VO₂金属态时的电磁共振与传统的金属绝缘体-金属超表面相似，但由于间隙-等离子体模式的阻尼而产生的共振的范围更广，有利于辐射传热。

Andreas Tittl等人^[7]设计出由堆叠在Ge3Sb2Te6(GST-326)间隔层和Al镜面上的方形铝(Al)纳米天线阵列组成的吸收像素的基本构建块，利用GST-326中的非晶向晶态相变的过程，对不同单位的像素进行识别区分，最后得到一个与入射角和偏振无关的高吸收性能的温度选择可切换的中红外辐射吸收器，其具有多光谱热成像能力，为气象学、地球科学或国防领域的先进成像应用铺平了道路。