基于In3SbTe2 相變實現可切換的熱輻射控制

論文信息：

Yuanfang Lin ,Jimin Wan ,Weiyi Zha ,Jiabao Sun ,Zhenfang Yu ,Huzheng Zhu ,Pintu Ghosh ,Qiang Li,Switchable Thermal Emission Control Enabled by In3SbTe2 Phase Transition ,Photonics 12(12), 1224(2025);

論文鏈接：https://doi.org/10.3390/photonics12121224

研究背景

隨著紅外輻射調控在能量利用、溫度管理和隱身防護中的重要性日益提高，開發可在寬光譜范圍內實現主動或被動調節的光學器件成為材料科學的重要方向。傳統紅外調控技術多依賴外部機械驅動或多層膜干涉原理，結構復雜且響應速度有限。近年來，相變材料因具備非易失性、可逆性與顯著的光學常數差異，逐漸成為動態紅外調控領域的核心研究對象。

In?SbTe?（IST）是一種新興的相變材料，它在非晶態和晶態之間具有強烈的光學響應差異：非晶態為低損耗介質，晶態則表現為高損耗金屬。這種相變帶來的介電常數突變，使IST在紅外波段（尤其是2.5–15 μm）可實現透射、反射與發射的主動可控調節。本文圍繞IST的相變特性，設計并驗證了兩類可切換紅外器件，分別實現了寬帶透射–反射切換與寬帶透射–窄帶發射切換，在紅外偽裝與熱輻射管理方面展現出顯著潛力。

研究內容

研究首先制備了單層IST薄膜結構，通過磁控濺射在高透射率紅外基底（KBr與ZnSe）上沉積約80 nm厚的IST膜，并在表面覆蓋10 nm的SiO?保護層以防氧化。IST在非晶態下表現為低損耗介質，能夠保持基底的高透射特性；而在晶態時轉變為高損耗金屬，表現出高反射率。通過加熱至約300°C進行退火，使IST由非晶態轉化為晶態，從而實現光學性質的可逆切換。如圖1所示，實驗測得樣品在2.5–15 μm范圍內的透射與反射光譜。KBr-IST與ZnSe-IST樣品在非晶態下分別表現出與基底接近的高透射特性（Ta-KBr與Ta-ZnSe），而在晶態后（Rc-KBr與Rc-ZnSe），光譜整體反射率超過0.8，顯示了顯著的高反射態。兩種基底在光譜趨勢上相似，僅強度略有差異，KBr樣品調制對比度更優。

圖1. 不同基底上IST薄膜樣品在相變前后（非晶態與晶態）的透射與反射光譜。（a）KBr基底；（b）ZnSe基底。

為了驗證其在紅外偽裝場景中的應用，作者設計了一個紅外成像實驗。如圖2所示，實驗對象為被加熱至105°C的鷹形紙樣。在非晶態下，IST薄膜保持高透射，熱輻射幾乎完全通過樣品，紅外相機可清晰看到紙樣圖案；當樣品轉變為晶態后，IST表面反射率顯著增加，熱輻射被阻擋，目標圖案在紅外圖像中完全消失。結果證明，IST薄膜能夠在“高透射冷卻”與“高反射隱身”兩種模式間可逆切換，為紅外開關與偽裝應用提供了簡單有效的實現途徑。

圖2. KBr–IST薄膜在紅外偽裝實驗中的表現。（a）實驗裝置示意圖；（b）非晶態下鷹形圖案清晰可見；（c）晶態下圖案不可見，樣品表現出高反射隱身特性。

為了在紅外輻射控制中實現更靈活的光譜調制，作者進一步在IST薄膜結構上引入了硅（Si）微納米盤陣列，形成周期性超表面（metasurface）。其基本思想為：在非晶態時，Si盤陣列作為抗反射層維持高透射；而在晶態時，金屬性IST層與Si盤之間產生電磁共振，形成強吸收，從而獲得高發射率。

如圖3所示，器件的結構由ZnSe基底、IST薄膜和周期性Si盤陣列構成。通過有限差分時域（FDTD）仿真，研究了陣列周期、盤半徑和高度對透射性能的影響。結果表明，非晶態下的透射率可通過幾何參數調節：減小周期或增大盤半徑與高度均可增強透射，體現了結構的可設計性。

圖3. IST–Si超表面結構示意及非晶態下透射率隨幾何參數變化的模擬結果。（a）結構示意；（b）透射率與周期關系；（c）透射率與半徑關系；（d）透射率與高度關系。

在IST轉化為晶態后，結構的光學響應由Si盤的局域共振主導。如圖4所示，器件在特定波長處出現窄帶高發射峰，且共振波長可隨幾何參數實現紅移或藍移。周期主要影響共振強度與帶寬，而半徑與高度則決定共振中心位置。通過合理設計，器件可在5–8 μm（輻射冷卻波段）與8–14 μm（紅外隱身波段）間實現獨立可控的發射行為。

圖4. 晶態下IST–Si超表面的發射率隨幾何參數變化。（a）周期；（b）半徑；（c）高度。

作者采用磁控濺射與光刻–剝離工藝制備了IST–Si超表面，如圖5所示。通過控制濺射功率與氣壓，沉積100 nm厚IST膜后在其上形成Si盤陣列，周期5 μm、半徑約1.15 μm、高度約500 nm。

圖5. IST–Si超表面樣品的制備流程，包括IST薄膜沉積、光刻圖形定義及Si盤形成步驟。

樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像與傅里葉紅外光譜（FTIR）測試結果如圖6所示。SEM圖像顯示盤陣列分布均勻、邊緣清晰，制程質量良好。非晶態下樣品在5–14 μm范圍內保持透射率>0.5，表現出寬帶透射特性；而在晶態下，在5.5–7 μm波段出現顯著發射峰，對應高發射狀態。磁場分布圖顯示，在共振波長處，電磁能量局域于Si盤與IST界面，形成強耦合吸收區，從而產生高發射響應。

圖6. IST–Si超表面樣品的表征結果。（a）SEM圖像；（b）非晶態透射光譜；（c）非晶態與晶態反射光譜；（d）對應發射光譜；（e）非晶態共振波長下磁場分布；（f）能量損耗分布。

為評估器件的穩定性與結構一致性，作者制備了參數略有不同的樣品2，并與參考結構進行對比。結果表明，不同樣品在非晶態下的反射光譜高度一致，且整體反射率低于未圖案化樣品，說明Si盤陣列在非晶態下具有明顯抗反射作用。

進一步地，作者結合實驗光譜數據與黑體輻射理論，計算了樣品在相變前后于5–8 μm與8–14 μm兩個波段內的平均透射、反射與發射率。結果顯示：對于高發射目標（ε≈1），器件在5–8 μm波段維持較高發射，實現輻射冷卻；而在8–14 μm波段發射率由0.72降至0.16，實現紅外隱身。對于低發射目標（ε≈0），器件在8–14 μm波段始終低發射（隱身狀態），而在5–8 μm波段相變后發射率由0.20升至0.53，增強散熱而不影響隱身。

該結果說明，IST–Si超表面可在大氣透明窗口與不透明窗口之間實現獨立可控調節，在紅外偽裝、熱管理和能量平衡等多領域具有應用潛力。

圖7. 不同樣品（樣品1與樣品2）在非晶態下與參考結構的反射光譜比較。（a）樣品1；（b）樣品2。

結論與展望

綜上所述，本研究采用α-MoO?扭曲雙層結構可通過固有面內各向異性實現本征手性，無需光刻即可產生中紅外手性光。該結構在吸收和熱發射中均表現出顯著手性響應，驗證了基于范德華材料扭曲雙層實現手性的可行性。手性響應源于結構的對稱性破缺，與極化子波無關，適用于其他具有強面內各向異性的低維材料。在中紅外偏振控制、照明、手性傳感與檢測等領域具有廣泛應用前景，為超越傳統超材料的手性工程提供了簡單、可擴展的方案。