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论文信息：
K. Yu, Y. Y. Wang, W. Zhang, P. Shen, M. D. Qian, Y. F. Liu, K. H. Zhang，A planarized Mo/ZnS multilayer film for infrared stealth at high temperature，Case Studies in Thermal Engineering 49, 103193 (2023).
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103193
在这项工作中，设计了一种基于红外光谱选择性发射的钼/硫化锌(Mo/ZnS）多层薄膜。通过将具有独特辐射特性的超薄Mo层与阻抗匹配相结合，可以实现多层薄膜的选择性发射。多层结构的发射率在3-5um和8-14um大气窗口中可分别控制在0.19和0.29，而在5-8um非大气窗口中可达到0.7，表现出优异的光谐选择性辐射特征。此外，由于超薄钼层的辐射特性，设计的多层薄膜表现出比环境温度更低的表观温度。此外，样品具有良好的耐高温性能，工作温度在室温至723K范围内，红外发射率光谱变化较小。由于具有可扩展性、适应性和可加工性，我们设计的结构可以大规模制造，并可广泛应用于许多领域。这项工作可能会在未来为红外隐形等众多应用带来更大的便利。
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图1。（a）红外光谱选择性多层膜示意图。（b）红外光谱选择性多层膜的计算发射率（蓝色实线）、反射率（红色虚线）和透射率（绿色虚线）。（c）制备的红外光谱选择性多层膜（在硅衬底上）的照片。（d）Mo/ZnS四层膜的横截面SEM图像。
图(1a)显示了用于高温下红外隐身的红外光谱选择性多层膜的示意图。该膜由四层组成，包括顶部ZnS介电间隔物、超薄Mo层、中间ZnS介电间隔物和底部用作反射的连续Mo层，从上到下。通过迭代计算带宽和发射率，可以获得每个单层的最佳参数值。Mo底层和中间层分别为80和16nm，而ZnS顶层和中间层分别为630和1150nm。如图(1b)所⽰，最优的多层膜结构满⾜红外隐⾝的需求，在⼤⽓窗⼝(5-8μm)具有低可探测性的低发射率，在⾮⼤⽓窗⼝(5-8μm)具有有效散热的⾼发射率。图(1c)显⽰了硅衬底上选择性多层膜的照⽚，⽽图(1d)显⽰了排列良好的多层膜电⼦束蒸发在硅(Si)衬底上制备Mo/ZnS多层膜结构。![]()
图2。（a）不同厚度的发射率与中间Mo层的关系。（b）顶部ZnS层的发射率调制。计算红外光谱选择性多层膜的发射率作为中间（c）和顶部（d）ZnS间隔物厚度的函数。利⽤中间Mo层的厚度来调节发射峰的宽度，如图（2a）所⽰。从图（2b）可以看出，顶部ZnS层的吸收峰可以增强。图（2c，d）给出了模拟发射率随中、顶层ZnS层厚度的变化。由图（2d）可知，顶部ZnS层的厚度可以在不改变原始谐振波长的情况下显著增强吸收。此外，顶部ZnS层的厚度对吸收峰的宽度影响不⼤。因此，选择顶部ZnS层的厚度为630nm，以改善薄膜的辐射特性。 使用COMSOL Multiphysics模拟了5.5μm（非大气窗口波段的中心波长5-8μm）的选择性发射结构。图（3a）表明，入射波的能量在顶部ZnS层中均匀分布，在超薄Mo层中急剧衰减，在中间ZnS层和底部Mo层中接近于零。图（3b）进一步表明入射波的能量主要通过中心波长的电磁功率损耗密度分布被超薄Mo层吸收。根据基尔霍夫定律，当达到热平衡时，表面的光谱发射率等于任何指定波长和温度下的吸收。
图3。(a)红外光谱选择性多层膜在5.5μm(⾼发射率波段5-8μm的中⼼波长)处的时域功率流分布。(b)红外光谱选择性多层膜在5.5μm处的电磁功率损耗密度。
Mo层是光谱选择多层结构的关键组成部分，它在中红外光谱范围内具有较⾼的消光系数，并且由于隧道效应⽽具有较⾼的发射率，不能屏蔽电流。然⽽单层超薄Mo层在红外光谱范围内⽆法实现选择性发射。因此，在结构中加⼊ZnS介电层以改善其选择性发射性能。利⽤阻抗匹配原理，可以通过添加ZnS介电层来调节红外光谱的选择性辐射特性。阻抗表⽰为Z=Re(Z)+Im(Z)i，其中实部Re(Z)在特定波段内接近于1，虚部Im(Z)接近于0，使得⼊射波能够穿透结构⽽不是在表⾯反射。如图（4a）所⽰。结果表明，在773K温度下，薄膜的辐射率随温度的升⾼略有增加，但仍能有效地保持其选择性热辐射特性。如图（4b）所⽰。结果表明，多层膜在3-5μm和8-14μm处的平均发射率均在0.3以下，表明多层膜可以有效实现红外隐⾝。
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图4。(a)红外光谱选择性多层膜在150◦C~500◦C范围内的实测发射率。(b)红外光谱选择性多层膜从150◦C到500◦C的平均发射率。
使⽤7.5-14μm红外相机(FLUKETIX640)捕获红外热图像，测量前通过区域⿊体(MTB6D)校准，在温度范围内，使⽤未覆盖任何材料的Si晶⽚作为参考。如图（5a，b）所⽰，在相同条件下，样品的表观温度明显低于Si衬底(ε=0.8)。样品较低的视温度意味着薄膜可以与背景融合，实现红外隐⾝。如图（5c）所⽰，随着温度的升⾼，样品与Si衬底之间的温差越来越⼤。此外，制备的薄膜表现出光谱选择性辐射特性，这意味着它们在红外光谱中具有低发射率⼤⽓窗低可探测性，⾮⼤⽓窗⾼发射率，有效散热。图（5d）显⽰了200◦C时⿊体和样品的辐射强度。因此，制备的薄膜具有光谱选择性辐射特性，具有红外隐⾝的潜⼒，如样品和⿊体的辐射度⽐较所证明的那样。
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图5。红外光谱选择性多层膜在200◦C(a)和400◦C(b)下的红外图像。(c)Si衬底和样品在不同加热温度下的辐射温度。(d)200◦C时⿊体与样品的辐射强度。
综上所述，设计了⼀种平⾯Mo/ZnS多层薄膜，在3~14μm范围内具有红外光谱选择性发射。通过结构优化和制作，多层结构的发射率在3-5μm和8-14μm的⼤⽓窗⼝内可控制在0.19和0.29，⽽在5-8μm的⾮⼤⽓窗⼝内可控制在0.7。研究了多层结构的⼯作机理，证明了超薄Mo层在设计中的重要性。基于阻抗匹配原理，通过调整ZnS介电层的厚度，可以调节光谱选择性多层结构的热辐射。实验测量了该多层结构的热辐射率从423K到773K，表明其在⾼温下仍能保持优异的光谱选择性辐射特性。此外，还拍摄了红外热图像来验证所提出设计的红外隐⾝性能。这种⽅法具有结构简单、延展性好、易于批量⽣产等优点，可能为红外伪装提供更有效的解决⽅案。
