红外热伪装是一种通过调节目标的红外热辐射，降低热成像仪中目标可视性的特殊技术。而降低目标物体的表面发射率是一种实现红外热伪装的有效方法。但是，这种方法主要针对大气窗口波段，使目标温度升高，提高其热辐射通量，从而损害热伪装性能。除此之外，由于不同的环境发射率，目标热辐射必须能被灵活地调控，以便在不同背景环境下实现有效的热伪装。因此，台湾大学特聘教授陈学礼利用介电常数近零（ENZ）薄膜和发射率可调的金属薄膜玻璃，设计了一种在大气窗口波段（8 - 14 μm）结合红外热伪装和热管理的双功能系统。该系统在较小发射角的低热辐射功率，可以很好地实现热伪装；而在较大发射角的高热辐射率，可以促进辐射冷却，在不影响红外热伪装的情况下实现有效散热。相关工作以Epsilon-near-zero thin films in a dual-functional
system for thermal infrared camouflage and thermal management within the
atmospheric window发表在Materials Horizons期刊。
2.1 红外热伪装和热管理双功能系统
图1展示了一种在大气窗口波段内实现红外热伪装和热管理的双功能系统。这种宽波段定向辐射系统由沉积在金属基底上的多层ENZ薄膜构成。在低发射角下，伪装目标的红外信号与日常生活中的环境非常相似；在高发射角下，伪装目标可以在不影响热伪装功能的情况下有效散热。考虑到被伪装的目标可能具有不同的温度范围，该工作选用高反射率的金属（Au）和光学性质可调的金属薄膜玻璃（AlNiY）作为基底层，并利用SiO2、Al2O3和TiO2激发宽波段的Berreman模态，实现定向发射。
图1 红外热伪装和热管理双功能系统
2.2 归一化电场和吸收率模拟光谱
图2展示了双功能系统的横磁波（TM）归一化电场振幅和吸收率光谱。SiO2、Al2O3和TiO2三层ENZ薄膜分别表现出对应于单个LO声子共振波长的Berreman模态，而在吸收率光谱中的表现是8 - 14 μm的宽波段大角度定向吸收。而在3 - 5 μm的波长范围内，基于金属玻璃薄膜双功能系统和空气介质展现出较高的光导纳匹配，具有TM波低反射和高吸收的光谱特性；相反，沉积在Au上的ENZ薄膜层表现出相对较低的光导纳匹配，出现较弱的峰值吸收。
图2 横磁波归一化电场和吸收率光谱
2.3 扫描电镜图像与TM波吸收率
图3展示了双功能系统的扫描电镜图像与TM波吸收率。该结果验证了双功能系统在长波红外与角度相关的吸收光谱特性；并且吸光度随金属基底的变化而变化，为发射率调控奠定了基础。
图3 扫描电镜图像与TM波吸收率
2.4 平均吸光度和辐射制冷效果
图4展示了双功能系统8 - 14 μm的平均吸光度和净换热功率（Pnet）。三种结构测量和模拟的平均吸收率随入射角的增加而增加，表明其在较大角度下辐射冷却的潜力。为定量描述双功能系统的热管理能力，该工作还计算了其净换热功率和导热与对流功率（Pcon）。Au膜的吸收/发射率较低，散热能力主要来自与辐射无关的Pcon，所以Au膜的Pnet最小，且接近Pcon。而双功能系统在较大的发射角处提高了吸收率/发射率，其Pnet值远大于Au膜。随着伪装目标表面温度（Tsurf）的升高，所有结构的Pnet都逐渐增大，且基于较薄金属薄膜玻璃的系统表现出最高的冷却性能。
图4 平均吸光度和净换热功率（Pnet）
2.5 热红外图像
图5展示了对背景铜板加热后，双功能系统在不同入射角下的热红外图像。首先，低发射率的铜板在各角度的观测温度变化不大；而沉积在金属基底上的ENZ薄膜的观测温度随入射角变化而出现显著差异，突出了结构的大角度辐射冷却能力和热管理能力。在10°入射角下，由于金属薄膜玻璃的光学性质变化，三个双功能系统具有不同的观测温度，突出了其在各种环境下的热伪装潜力。
图5 入射角为10°，20°，40°，60°和80°时的热红外图像
2.6 红外热伪装的实际应用
图6展示了不同加热温度下样品与热伪装的观测温度相似度。该实验以35℃的土壤与绿叶作为背景环境，当样品加热到35℃时，双功能系统下的样品表现出较低的观测温度。当样品加热到45℃时，右侧的双功能系统和土壤与绿叶的观测温度相似度分别高达98.0%和99.1%；相比之下，加热后的铜板和土壤与绿叶的观测温度相似度分别只有26.3%和27.6%。当样品温度加热到50℃时，位于中间的双功能系统和土壤与绿叶的观测温度相似度分别达到98.0%和97.7%，而铜板仅为25.6%和26.1%。当温度加热到120℃，左侧的双功能系统表现出更高的观测温度相似度。这些实验表明，相较于铜板350℃的理想热伪装温度，双功能系统实现了室温-350℃温度范围内的热伪装。理想热伪装温度可以通过金属薄膜进行调控。与此同时，这些系统还表现出卓越的热管理能力，实现了红外热伪装和大气窗口热管理的结合。
图6 不同加热温度下样品与热伪装的观测温度相似度
本工作将多种ENZ薄膜与高反射率金属和金属玻璃薄膜相结合，设计了一种宽波段定向热辐射结构，小角度低发射实现红外热伪装，大角度高发射可以在不影响热伪装性能的情况下实现热管理。在金属玻璃上沉积ENZ薄膜后，整体的冷却功率提高了185%；在各自理想热伪装温度下，三种双功能系统的红外热像图与环境物体的相似性都超过97%。该工作强调了背景环境热辐射通量和目标温度在热伪装技术中的重要性，提出的双功能系统能够在大气窗口的同一光谱区域同时进行红外热伪装和热管理，为推进红外热伪装技术提供了新的途径。
论文信息：Hsieh PC, Chang SW, Kung WH, et al. Epsilon-near-zero thin films in a dual-functional system for thermal infrared camouflage and thermal management within the atmospheric window. Materials Horizons, 2024.
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