[发明专利]一种温度与红外谱段发射率同时可调的超结构及其设计方法

说明书

本发明提供一种温度与红外谱段发射率同时可调的超结构及其设计方法，超结构包含：热电结构和热致变色薄膜；热电结构，通过半导体热电效应实现超结构温度的调控；热致变色薄膜的热致相变材料在超结构温度变化过程中能发生相变。通过对加载在热电结构上的电流来改变热致变色薄膜的温度，使其中热致相变材料的光学参数发生变化，从而改变整个结构的表面发射率。因此，能够实现温度、红外发射率同时动态可调的效果。此外，该超结构制作工艺简单、制作成本低、使用方便，为发展宽范围红外辐射动态调控的电磁材料提供一种有效的技术途径。

技术领域

本发明属于电磁波动态调控的技术领域，具体涉及一种温度与红外谱段发射率同时可调的超结构及其设计方法。

背景技术

随着探测技术的快速发展，红外侦查、夜视等技术越来越广泛地应用于相关领域，因此迫切需要发展可调节红外辐射特征的电磁材料。为此，国内外研究人员开展了大量的研究，并取得了一系列的研究成果。如2022年第3期《红外技术》期刊中公开文献“红外低辐射膜的设计、制备与表征”，利用Ge、ZnS材料设计基于一维光子晶体结构实现了红外低辐射特性；中国发明专利CN103614058B公开了一种红外隐身涂层及其制备方法和应用，以镧基稀土化合物为填料实现了红外低发射率。然而随着所处环境的切换，不同环境背景下需要具有不同的红外辐射特性，此时，静态的红外低辐射材料难以满足多场景的要求，因此还需进一步发展红外辐射特性可动态调控的电磁材料。而现有的电磁材料一般只能单独动态调控影响红外辐射特征的发射率或者温度，导致红外辐射特征的调控范围受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种温度与红外谱段发射率同时可调的超结构及其设计方法，利用热致相变材料光学性质受温度影响，将其构造成热致变色薄膜后与热电结构一体化设计，可实现温度与红外谱段发射率同时动态可调，从而为发展宽范围红外辐射动态调控的电磁材料提供一种有效的技术途径。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种温度与红外谱段发射率同时可调的超结构，包含：

热电结构和热致变色薄膜；热电结构，通过半导体热电效应实现超结构温度的调控；热致变色薄膜的热致相变材料在超结构温度变化过程中发生相变。

进一步地，热致变色薄膜为FP谐振腔，FP谐振腔包含：热致相变材料结构，下方依次为介质材料结构、第一金属结构、第一基板和第二金属结构。

进一步地，热致变色薄膜包含热致相变材料颗粒的粒涂层，下方依次为第一金属结构、第一基板和第二金属结构。

进一步地，在红外波段[λ_min,λ_max]范围内，热致相变材料结构分别为金属态与绝缘态时，超结构分别处于高发射和低发射状态，高发射率和低发射率之间差值大于或等于0.2。

进一步地，热致相变材料结构的材质为VO₂或GST合金；介质材料结构为红外透明材料，第一金属结构为红外波段高反射材料，厚度为30～100nm，第二金属结构为导体，第一基板为高导热率材料。

进一步地，所述热致相变材料颗粒为VO₂颗粒，基底材质为红外透明材料；第一金属结构为红外波段高反射材料，第二金属结构为导体，第一基板为高导热率材料。

进一步地，所述红外透明材料为红外无损树脂；第一金属结构为Ag或Al或Au或Cu；第二金属结构为Cu，第一基板为陶瓷基板或Rogers TC350^TMPlus层压板。

进一步地，热电结构包括：第三金属结构，连接热致变色薄膜与第三金属结构的P型半导体晶粒和N型半导体晶粒，第二基板；热致变色薄膜的第二金属结构与P型半导体晶粒、N型半导体晶粒、第三金属结构组成完整的热电结构的电路，其中，任选第二金属结构或第三金属结构与外部电路相连，引入调控热电结构的电流。