[发明专利]一种基于相变材料的空间可分辨热辐射超表面器件及其制备方法与装置

说明书

本发明提供一种基于相变材料的空间可分辨热辐射超表面器件及其制备方法与装置，超表面器件包括依次设置在衬底上的反射层、间隔层、相变材料层；相变材料层中包含多个相变单元；可选择地在相变材料层外表面设置保护层，保护层在特定波长范围内的光波透明。制备方法包括在衬底上依次沉淀反射层、间隔层、相变材料层和保护层；通过激光脉冲照射，在相变材料层被照射区域发生相态转变，形成多个相变单元。装置包括激光器、聚焦组件、位移平台和计算机。上述制备方法实现了非易失性的热辐射动态调控，激光直写方式实现空间可分辨的热辐射调控，使用更具灵活性。

技术领域

本发明属于热辐射控制和检测技术领域，具体涉及一种基于相变材料的空间可分辨热辐射超表面器件及其制备方法与装置。

背景技术

热辐射是一种带电粒子热运动导致的以电磁波形式输出能量的物理过程。由斯特藩–玻尔兹曼定律可知，物体热辐射的辐射出射度与其辐射率ε成正比，也与该物体温度T(绝对温标)的4次方成正比。因此，控制物体的温度和热辐射两者之一或全部可实现对物体热辐射的控制。在热辐射控制领域，时间或空间域下的热辐射调控可应用于以辐射制冷为代表的辐射能量输运应用、以气体识别/分子检测为代表的红外检测应用以及以红外特征伪装/红外无源标记等为代表的红外信息交换应用。

通过在不同空间位置设计结构参数各异、尺寸在辐射波长量级(10^–6m量级)的结构单元，利用结构参数差异影响单元的热辐射特性(如辐射出射度、光谱辐射率峰值位置等)，从而使得由上述结构单元阵列组成的器件具有空间可分辨的热辐射图案。由于热辐射图案与不同结构参数的结构单元的空间分布密切相关，因此，上述方式实现的空间可分辨的热辐射图案在器件制备完成后即确定，无法实现空间可分辨的热辐射图案的重新配置。

已有研究人员提出基于相变滞回效应实现的可重构空间可分辨的热辐射器件(CN110530523B)，但该方法存在以下局限：(1)只适用于具有明显滞回特性的相变材料体系，如二氧化钒类相变材料以控制温度的方式控制其相变状态时；(2)该方法配置的热辐射空间图案必须在特定温度下才能维持，因而需要额外配合温度控制组件以保持配置好的热辐射空间图案。

综上所述，目前没有一种不依赖于相变滞回，不需要维持特定温度即可实现空间可分辨且可重构性能的动态热辐射控制的方法。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出了一种基于相变材料的空间可分辨热辐射超表面器件及其制备方法与装置。本发明的制备方法不依赖于相变滞回材料，不需要特定温度维持相变状态，且能够同时实现空间可分辨且可重构的热辐射图案。

一种基于相变材料的空间可分辨热辐射超表面器件，包括依次设置在衬底上的反射层、间隔层、相变材料层；

所述相变材料层中包含多个相变单元；

可选择地在所述相变材料层外表面设置保护层，所述保护层在特定波长范围内的光波透明。

上述技术方案中，相变材料层包含的多个相变单元与所述相变材料层除相变单元之外的其他区域(非相变区域)形成热辐射图案。

所述特定波长是指相变材料层发生相变的波长，该波长为400～2500nm；所述保护层在该波长下光波透明，以使所述相变材料层吸收所有的入射激光。

所述相变材料层对400～2500nm波长范围内的光波存在吸收，即在该波长范围下所述相变材料可以实现相态转变。所述保护层用于保护所述相变材料层。

作为优选，所述反射层为在目标波段光谱反射率大于0.9(或90％)的金属膜层或介质膜系；

所述的间隔层选择在目标波段消光系数小于0.5的介质材料；

所述相变材料层选择由光、电、热或化学外部激励导致微观结构发生转变的材料。