一、  研究背景：

随着红外成像探测器的广泛使用，低红外发射率已成为军事技术发展的一个重要方向。根据基尔霍夫红外理论，物体的发射率与它的吸收率成正比。因此，有必要找到具有高反率和低吸收率特性的材料，以实现大气窗口波长的低红外发射率。传统的材料通常使用金属或半导体作为基材，无法获得较低的发射率（ε<0.2）以及选择性的低发射率效应，更难以实现兼容隐身。因此，超材料和新结构受到了极大的关注。作为一种典型的超材料，具有光子带隙的光子晶体已被广泛应用于传感器、滤波器、太阳能电池、织物等领域。光子晶体的材料组成和尺寸可以合理设计，使光子带隙覆盖大气窗带，满足低红外辐射率的要求。通过调整各子层厚度的不均匀分布或将不同中心波长的光子晶体叠加在一起，可以获得选择性低发射率和多波段隐身的效果。同时，光子晶体可以通过改变表面层的厚度来影响等倾干涉，从而显示出不同的颜色，用来减少与周围环境的颜色对比，达到用可见光无法检测的效果。

二、  文章简介：

针对上述问题，选择了储量丰富、提纯技术成熟的Si材料。硅及其氧化物SiO₂在使用条件下具有稳定的化学性能、高硬度、低热膨胀系数和良好的防潮性能。Si和SiO₂子层可以通过直接或反应式溅射Si靶材获得，可以实现原位一体化制备。首先，充分探讨了工艺参数与子层光学性能之间的关系，确定了具有稳定光学性能和高成膜质量的制备工艺。然后，基于传输矩阵理论和等效界面法构建了通用的光子晶体模型，并对带隙宽度、位置和反射率值的影响因素进行了系统模拟。考虑到复杂的工作环境，分析了入射角、色散、消光、薄膜缺陷等因素对反射率光谱的影响。结合上述模拟计算结果，对[Si/SiO₂]_N光子晶体的结构和制备工艺进行了优化。最后，成功制备了具有良好的低红外发射率和可见光伪装性能的[Si/SiO₂]_N光子晶体。相关研究成果发表于optics and lasers in engineering上。大连理工大学的硕士生刘延领和博士李红盛为文章的第一作者，吴爱民副教授为文章的通讯作者。

图1. 用于可见光伪装和低红外发射率的[Si/SiO₂]_N光子晶体（PC）的示意图。

三、  研究内容：

1、利用磁控溅射法在不同参数下制备Si和SiO₂单层薄膜，探究溅射功率、基底温度、工作气压、沉积时间、磁场强度及氧分压与光学性能和沉积速率的关系，得到光学性能优良、沉积速率高、成膜质量好的薄膜制备工艺。

图2. 不同条件对单层薄膜折射率和厚度的影响。

2、根据传输矩阵理论对单一界面、单层膜与多层膜进行递进的分析，构建全因素条件下通用的光子晶体模型并模拟光子晶体禁带宽度、禁带中心位置及反射率值与影响因素（折射率比值、周期、中心波长及光学厚度比）之间的关系。结合实际工作环境情况，进一步研究外部因素（入射角）、结构因素（周期、结构设计、尺寸）及材料因素（色散、消光、薄膜缺陷）对红外反射光谱的影响。结合模拟计算结果及考虑”减薄”作用，对[Si/SiO₂]_N光子晶体结构和制备工艺进行优化。

图3. 不同的[Si/SiO₂]_N光子晶体参数对光子带隙（PBG）的影响。

图4. 不同因素下[Si/SiO2]N光子晶体（PC）模拟反射光谱.

3、在模拟结果指导下所制备的[Si/SiO₂]_N光子晶体在3~5μm波段的平均反射率为95.23%，高反射区波段范围为2.914~4.868 μm，覆盖了大部分的目标波段，表现出优异的低红外发射性能。通过控制光子晶体表面层的厚度，成功制备了不同颜色的光子晶体，如橙色、沙黄色、深绿色、海军蓝和紫色，可以满足不同环境的可见光伪装要求。

图5. [Si/SiO₂]_N光子晶体截面SEM图及反射率光谱。

图6. 不同表面层厚度[Si/SiO2]_N光子晶体结构色。

四、  结论与展望：

本文成功构建了全因素条件下通用的光子晶体模型，并模拟出在入射角、色散、消光和薄膜缺陷等条件下，[Si/SiO₂]_N光子晶体的低红外发射率和可见光伪装性能保持稳定。所制备的[Si/SiO₂]_N光子晶体的光子带隙覆盖了3~5μm的大气窗带，平均反射率达到95.23%。通过调整SiO₂的表面厚度，可以获得橙色、沙黄色、深绿色、深蓝色和紫色五种结构色。这种具有环境适应性、工艺优化合理、适合大规模生产的合成策略，有望在军事目标中得到广泛应用，以应对日益复杂的战争环境。

五、  致谢：

感谢中国国家重点研发计划（2019YFA0709100和2020YFA0714504）和辽宁省振兴人才计划（XLYC1807237）的支持。

Authors: Yanling Liu, Hongsheng Li, Hanxiang Tong, Aimin Wu, Hao Huang, Tun Cao, Ang Ding

Title: Rational design and construction of [Si/SiO2]N one-dimensional photonic crystal for low infrared emissivity and visible light camouflage

Published in: Optics and Lasers in Engineering, doi: 10.1016/j.optlaseng.2023.107641