在当今科技迅速发展的背景下，热辐射的工程化能力变得愈发重要，尤其是在红外光源的应用中。由西班牙巴塞罗那的光子科学研究所和德国亚琛工业大学及弗劳恩霍夫生产技术研究所的研究团队共同完成的研究，发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上。该研究的主要贡献在于开发了一种基于相变材料（PCM）In3SbTe2（IST）的可重构热发射器，能够在不同相态之间切换，从而实现动态的热辐射特性。
相变材料因其在不同相态下表现出显著不同的光学特性，成为热辐射工程的重要工具。IST材料在红外波段具有独特的非挥发性相变特性，能够在无须高温的情况下实现金属态和介电态之间的转换。这种特性使得IST在长波红外（LWIR）应用中展现出巨大的潜力，尤其是在热辐射冷却、热光伏能量转换和气体传感等领域。研究团队设计了一种基于IST层的平面可重构窄带热发射器，该发射器位于一个Salisbury屏幕之上，能够在不同相态下实现高和低的发射率，且其行为与入射角和偏振无关。
在实验中，研究人员通过激光脉冲局部触发相变，成功地在IST层中编程出多种图案，展示了厘米级的可编程性和20微米的分辨率。这一成果不仅为热辐射的动态调控提供了新的思路，也为标签和防伪等应用开辟了新的方向。研究中使用的Nanoscribe设备，特别是其Photonic Professional GT激光写入系统，能够精确控制激光的扫描速度和功率，从而实现对IST层的高效晶化。这种激光诱导的相变技术使得研究团队能够在微米级别上实现复杂图案的编程，进一步提升了热发射器的功能性。
在研究过程中，团队面临了一些挑战。例如，如何在保持高发射率的同时实现低发射率的切换，以及如何在大规模制造中避免复杂的纳米结构图案化。通过优化设计，研究人员成功地克服了这些困难，开发出一种无需光刻的结构，简化了制造过程。实验结果表明，在IST的非晶相态下，发射器在9到10微米的波长范围内具有高发射率，而在晶态下则表现出低发射率。这种特性使得该发射器在不同的应用场景中都能发挥出色的性能。
此外，研究还展示了大规模图案化的能力。研究团队在1×1厘米的样品上，通过激光写入系统实现了一个太阳形状的图案，并使用热成像相机对其进行了表征。结果显示，非晶区域的有效温度较高，而晶态区域则表现出低发射率，形成了明显的对比。这种可调的热辐射特性使得该发射器在红外标签和防伪应用中具有广泛的前景。
总的来说，这项研究不仅展示了基于相变材料的热发射器的潜力，还为未来的研究指明了方向。通过简单的制造工艺和灵活的设计，研究团队为热辐射的可重构性提供了新的解决方案，避免了复杂的制造和光刻技术。这种新型热发射器的开发，预示着在LWIR光谱范围内的辐射特性工程化将迎来新的机遇，未来可以通过选择不同的发射材料和调整层厚度，进一步优化其工作波长和带宽。这项研究的成果将为热辐射工程、气体传感和防伪技术等领域的应用提供重要的理论基础和实践指导。
相关文献及图片出处
https://doi.org/10.1002/lpor.202401438