一种可用于太空物体的、可切换的可见光、黑光和红外隐身特效薄膜

《Optics & Laser Technology》：A switchable visible black infrared stealth metafilm for space objects

本文提出了一种基于GST相变材料的可切换多光谱隐身超表面薄膜，通过动态调控材料的光学与热学特性，实现可见光与红外波段的智能隐身转换，为空间目标提供高效自适应的隐身技术。

　　

孔权|傅婷照|刘萍|徐伟|朱志宏|张建发

国防科技大学先进跨学科研究学院&新型纳米光电信息材料与器件湖南省重点实验室，中国湖南长沙410073

摘要

随着多光谱检测技术的快速发展，对隐身能力的需求已经从单波段隐蔽发展到在可见光、红外等波段实现智能和动态的隐身协调。智能可调的多光谱隐身技术通过动态调节材料的光学和热学特性，以适应复杂背景，已成为下一代隐身系统的核心研究方向。利用相变材料GST（Ge₂Sb₂Te₅）的优异性能，我们展示了一种可用于空间物体的可切换可见光-红外隐身超薄膜。通过改变GST的相态，该超薄膜能够在保持高可见光吸收率的同时，在隐身和非隐身状态之间切换，从而实现智能和动态调节。这种可调超薄膜动态控制热辐射的能力为未来的智能隐身技术奠定了坚实的基础，展现了其广泛的应用前景。

引言

航空航天技术的迅速发展导致了卫星和航天器的数量激增，这些不仅对民用应用至关重要，而且在军事上也有重要的战略价值。因此，它们已成为日益复杂的检测系统的高优先级目标。在这种情况下，开发有效的空间资产隐身技术对于确保其安全性和生存能力变得至关重要。通常，目标的隐身能力是通过调节电磁波的反射、传输或辐射特性来实现的，以在特定检测波段（包括可见光[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、红外[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]和雷达[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]）与背景环境的光谱特征相匹配。然而，随着高分辨率光学成像[27]、[28]、[29]、红外热成像[30]、[31]、[32]以及其他检测技术[34]、[35]、[36]的进步和相互整合，单波段隐身解决方案已经不再足够。因此，开发能够在多个波段实现多光谱隐身的材料和技术已成为关键的研究焦点。多光谱隐身主要可以通过堆叠为不同波段定制的隐身材料/结构[37]、[38]、[39]、[40]来实现，或者利用超材料的优异性能[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]来设计能够在多个光谱区域同时调节电磁响应的结构。近年来，多光谱隐身技术的研究取得了显著进展[49]、[50]、[51]、[52]。例如：Feng等人[53]提出了一种多尺度分层超表面（MHM），在0.9–1.2 μm波段表现出低反射率（<20%），在9–12 μm波段表现出低红外发射率（约20%），并在2.7–26 GHz波段的微波吸收效率超过90%，从而实现了对激光、红外和微波检测的多光谱隐身。Qin等人[52]开发了一种多层波长选择性发射器，其在MWIR波段的发射率为4.2%，在LWIR波段的发射率为21.8%，同时具有12.9%的可见光反射率，实现了从可见光到红外波段的全谱隐身。Deng的团队[54]设计了一种纳米结构薄膜，具有低可见度并抑制红外热辐射，在300–1100 nm的可见光和近红外波段表现出低反射率（3.95%），以及在8–18 GHz波段的高微波透射率（98.86%）。

尽管多光谱隐身技术的进步在一定程度上提高了目标在检测系统中的隐蔽性，但它们固定的光谱响应缺乏对动态环境的适应性。由于卫星和航天器的运行环境复杂多变，这可能导致空间物体的特征与背景之间存在显著差异，从而影响隐身性能。因此，动态发射率调节成为了一种必要的解决方案。近年来，人们对动态发射率调节的研究兴趣日益增加[55]、[56]、[57]、[58]、[59]、[60]，其中可调材料的选择[61]、[62]、[63]、[64]和合理的结构设计[65]、[66]能够实时控制光学参数（如相位和幅度），从而实现动态光谱响应的调整。目前，主要的可调材料包括：液晶[67]、[68]、导电氧化物材料[69]、[70]、[71]、二维材料[72]、[73]、[74]以及相变材料（PCMs）[75]、[76]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]。在这些材料中，相变材料GST（Ge₂Sb₂Te₅）因其非挥发性的亚晶态和晶态之间的切换、超快的可逆相变（纳秒级）以及显著的光学对比度[82]而成为动态光谱调节的首选。例如：在可见光谱中，非晶态GST具有高透明度，而晶态GST则具有高反射率；在红外范围内，非晶态GST保持低热发射率，而晶态GST则具有高发射率。外部刺激（热、电或光）可以触发GST的相变，从而动态调节隐身特性以适应不断变化的环境条件。

在空间环境中，当没有光散射时是完全黑暗的，在我们的研究中，我们提出了一种基于相变材料GST的可切换可见光-红外隐身超薄膜，用于空间物体。该结构由简单的四层薄膜组成，在可见光谱（400–760 nm）中实现高吸收隐身，在大气窗口（3–5 μm和8–14 μm）内实现低发射率隐身，同时在非大气窗口（5–8 μm）中通过高平均发射率（>77%）实现辐射冷却。通过调节GST的相态，该结构可以动态调节其在可见光和红外波段的光谱响应，从而在隐身和非隐身状态之间实现智能切换。这种双波段的适应性允许目标与环境同步变化，从而实现智能、可重构的多光谱隐身。同时，由于其简单的多层堆叠架构，该结构易于制造和大规模集成，成本大幅降低。这些优势显著提高了其实用性，并展示了其在实际应用中的巨大潜力。

章节摘录

结构设计与讨论

我们提出的可切换可见光-红外隐身超薄膜结构的多光谱隐身机制和示意图如图1所示。通过结构设计，减少了空间物体在可见光波段对太阳辐射的反射，使其与黑暗的太空背景相匹配，同时抑制了目标在3–5 μm和8–14 μm大气窗口波段的红外发射率，实现了可见光的兼容隐身功能

样品制备与测量

基于我们的可切换可见光-红外隐身超薄膜的理论设计和数值验证，我们使用简单的薄膜沉积技术实验制备了所提出的多层样品。首先，我们使用磁控溅射技术在带有二氧化硅氧化层的硅基底上依次沉积金属Mo层、GST层和Si电介质层。然后，我们使用原子层沉积（ALD）在薄膜顶部生长Al₂O₃层

结论

在本文中，我们提出了一种基于相变材料GST的非挥发性可见光-红外隐身超薄膜，用于空间物体。当GST处于非晶态时，该结构在可见光波段（400–760 nm）的平均吸收率接近92%，可以实现良好的可见光隐身效果。在红外波段，吸收光谱与大气窗口相匹配，且在大气窗口波段的吸收率相对较低，接近20%

材料与方法

分析计算：使用传输矩阵方法（TMM）计算了结构的吸收光谱。这是一种基于电磁波传播特性的数值计算方法，广泛应用于多层电介质结构的光学特性分析。我们将结构的层数设置为四层，然后输入每层的折射率和厚度参数，以及入射波长范围

CRediT作者贡献声明

孔权：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据整理。傅婷照：撰写 – 审稿与编辑。刘萍：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。徐伟：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。朱志宏：撰写 – 审稿与编辑，概念化。张建发：撰写 – 审稿与编辑，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号12274462）、国防科技大学创新研究基金以及国防科技大学研究生创新项目（编号XJJC2025035）的支持。