热辐射的调控对于辐射冷却、热光伏能量转换和气体传感等应用至关重要。相变材料可以用来设计热开关，通过主动触发相变实现热辐射调控。然而，使用简单的平板结构结合相变材料从而实现窄带和漫反射的动态调控热辐射仍然比较困难。In3SbTe2（IST）在红外波段具有独特的非挥发性相变，即非晶介电相和结晶金属相之间的相变。本研究设计了一种平面结构的窄带热发射器，该设计在IST的非晶介电相下实现了环境热波长附近的高发射率，在晶金属相下实现了低发射率，且此发射具有与角度和偏振无关的特性。这项工作为可重构且易于制造的平面热开关结构设计提供了新的设计思路，展现出在标签和防伪方面的应用潜力。相关成果以Switchable Narrowband Diffuse Thermal Emission With an In3SbTe2-Based Planar Structure为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊。
图1 最优热开关结构的数值模拟 (a) 相对于黑体辐射（虚线黑线），300 K时此结构在IST结晶（蓝线）或非晶（红线）相结构的光谱辐射度。插图：热开关结构图；(b和c) 非晶和结晶相下结构中的场分布；(d) SiO2 的复介电常数；(e) IST在两相下的介电常数实部。
图2 热开关结构的吸收率 (a) 实验测量（虚线）和拟合数据（实线）的结晶（蓝线）和非晶（红线）相的吸收率，插图：实验样品结构图；(b和c) 测量的非晶相吸收率随波长和角度（15到80度之间）的变化，(b) S极化和(c) P极化。
图3 由局部诱导相变形成的各种尺寸的棋盘格图案 (a-c) 在显微镜下观察；(d-f) 使用连接到红外显微镜的HgCdTe焦平面阵列探测器测量的吸收率，波长范围在 9 ~ 10 μm之间。
图4 规模图案的表征 (a) 根据IST相位绘制的区域选择性热发射图；(b) 制备样品的大尺度相变图光学图像，其中cIST和aIST分别表示IST的结晶相和非晶相；(c-e) 使用长波红外相机在不同发射角度测量的样品热图像，展示了其漫射（与角度无关）发射率。
总结：本研究设计了一种可切换的窄带热发射器，该发射器基于无光刻结构，由四层薄膜组成。顶部为相变材料IST，发射层为二氧化硅，间隔层为镉，基底为金。通过激光诱导IST层相变实现了厘米尺度的图像化，热成像分辨率低至20 μm。该结构在约9.5 μm的波长处有接近1 μm光谱带宽的窄带热发射，并且此发射具有角度和偏振无关性，可以适用于红外标记和防伪等高可检测性的应用。窄带热发射仅出现在特定带宽内，使其独一无二且难以被复制。由于制造工艺简单且整体结构紧凑，只要应用表面能承受高达300°C的温度，该层堆栈就可以应用于任何刚性或是柔性的表面。因此，本研究提供了一种简单的方法来设计可重构的窄带热发射器，不需要复杂的制造和光刻技术就能实现大面积的发射控制。此外，通过选择不同的发射材料以及调整发射层和间隔层的厚度，可以在整个长波红外光谱范围内调控结构的工作波长和发射带宽。
论文信息: Giteau M, Conrads L, Mathwieser A, et al. Switchable narrowband Diffuse thermal emission with an In3SbTe2‐based planar structure. Laser & Photonics Reviews, 2024. https://doi.org/10.1002/lpor.202401438.
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