第37卷第8期 兵工学报 Vol.37 No.8 2016年8月 ACTA ARMAMENTARII Aug.2016 基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展 孟子晖，张连超，邱丽莉，薛敏，徐志斌 (北京理工大学化工与环境学院，北京100081) 摘要：光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，其光子禁带对入射电磁波具有高反射率，能 够有效改变目标的辐射特性，降低目标在红外波段的可探测性，是未来红外隐身技术的重点发展方 向。为理清光子晶体红外隐身材料进一步发展所面临的问题和机逼，对光子晶体在红外辐射特性 调控、光子禁带的展宽、多波段兼容技术、变发射率自适应隐身技术等方面的应用进展进行梳理和 总结，并对新一代光子晶体红外隐身材料技术发展进行了展望，以期为光子晶体红外隐身材料对宽 频隐身、多波段兼容、可逆的动态调整等的需求提供一定的解决思路。 关键词：兵器科学与技术：光子晶体；红外隐身：光子禁带的展宽：多波段兼容隐身：变发射 率 中图分类号：T765.5文献标志码：A 文章编号：1000H093(2016)08154310 D0L10.3969/.issn.1000H093.2016.08.029 Research Progress on Photonic Crystal Infrared Stealth Materials Technology MENG Zi-hui,ZHANG Lian-chao,QIU Li-i,XUE min,XU Zhi-bin (School of Chemical Engineering and Environment.Beijing Institute of Technology,Beijing 100081.China) Abstract:Photonic crystals are a kind of artificial functional materials with potential and promising appli- cation in the infrared stealth technology,of which photonic band gap has high reflectivity to electromag- netic waves.The photonic crystals can alter the radiation characteristics of targets and protect the targets from being detected in infrared region.In order to clarify the problems and opportunities in the further de- velopment of photonic crystal and provide some proposals for the requirements of infrared stealth materials for wide band,multi band compatibility and reversible dynamic adjustment.The applications of photonic crystal in the regulation of infrared radiation characteristics,the broadening of photonic band gap,the multi band compatible technology and the adaptive stealth technology with variable emissivity are reviewed and summarized.Finally,the new generation of photonic crystal infrared stealth materials is prospected. Key words:ordnance science and technology;photonic crystal:infrared stealth;broadening of photonic band gap:multi-band compatible stealth;variable emissivity 0引言 的低可探测性0。 热红外探测器工作波段主要在3~5um和8~ 红外隐身技术是指通过降低和改变目标的红外 14μm,其中红外制导导弹工作在中红外波段，而 辐射特性，从而控制目标的红外辐射特征，实现目标 红外热像仪主要是利用目标与背景的红外辐射特性 收稿日期：20160242 基金项目：国家自然科学基金项目(U153014121375009) 作者简介：孟子晖(1970一），男，教授，博士生导师。Eail:m_hui@yaho.com 邱丽莉(1982一），女，讲师。Eail quili@城.ed血.cn ?1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
第 37 卷第 8 期 2 0 1 6 年 8 月 兵 工 学 报 ACTA AＲMAMENTAＲII Vol． 37 No． 8 Aug． 2016 基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展 孟子晖，张连超，邱丽莉，薛敏，徐志斌 ( 北京理工大学 化工与环境学院，北京 100081) 摘要: 光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，其光子禁带对入射电磁波具有高反射率，能 够有效改变目标的辐射特性，降低目标在红外波段的可探测性，是未来红外隐身技术的重点发展方 向。为理清光子晶体红外隐身材料进一步发展所面临的问题和机遇，对光子晶体在红外辐射特性 调控、光子禁带的展宽、多波段兼容技术、变发射率自适应隐身技术等方面的应用进展进行梳理和 总结，并对新一代光子晶体红外隐身材料技术发展进行了展望，以期为光子晶体红外隐身材料对宽 频隐身、多波段兼容、可逆的动态调整等的需求提供一定的解决思路。 关键词: 兵器科学与技术; 光子晶体; 红外隐身; 光子禁带的展宽; 多波段兼容隐身; 变发射 率 中图分类号: TJ765. 5 文献标志码: A 文章编号: 1000-1093( 2016) 08-1543-10 DOI: 10． 3969 /j． issn． 1000-1093． 2016． 08． 029 Ｒesearch Progress on Photonic Crystal Infrared Stealth Materials Technology MENG Zi-hui，ZHANG Lian-chao，QIU Li-li，XUE min，XU Zhi-bin ( School of Chemical Engineering and Environment，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China) Abstract: Photonic crystals are a kind of artificial functional materials with potential and promising application in the infrared stealth technology，of which photonic band gap has high reflectivity to electromagnetic waves． The photonic crystals can alter the radiation characteristics of targets and protect the targets from being detected in infrared region． In order to clarify the problems and opportunities in the further development of photonic crystal and provide some proposals for the requirements of infrared stealth materials for wide band，multi band compatibility and reversible dynamic adjustment． The applications of photonic crystal in the regulation of infrared radiation characteristics，the broadening of photonic band gap，the multi band compatible technology and the adaptive stealth technology with variable emissivity are reviewed and summarized． Finally，the new generation of photonic crystal infrared stealth materials is prospected． Key words: ordnance science and technology; photonic crystal; infrared stealth; broadening of photonic band gap; multi-band compatible stealth; variable emissivity 收稿日期: 2016-02-02 基金项目: 国家自然科学基金项目( U1530141、21375009) 作者简介: 孟子晖( 1970—) ，男，教授，博士生导师。E-mail: m_zihui@ yahoo． com; 邱丽莉( 1982—) ，女，讲师。E-mail: qiulili@ bit． edu． cn 0 引言 红外隐身技术是指通过降低和改变目标的红外 辐射特性，从而控制目标的红外辐射特征，实现目标 的低可探测性［1］。 热红外探测器工作波段主要在 3 ～ 5 μm 和 8 ～ 14 μm，其中红外制导导弹工作在中红外波段［2］，而 红外热像仪主要是利用目标与背景的红外辐射特性
1544 兵工学报 第37卷 差异来获得目标的红外图像信息，工作波段为8~ 14m).红外探测器主要通过目标自身的红外辐 2光子晶体红外隐身材料的研究进展 射来发现和识别目标。根据这个特点，可采用改变 2.1光子晶体应用于红外辐射特性的调控 己方的红外辐射波段至对方红外探测器的工作波段 自从Yablonovitch)和John9提出光子晶体和 之外，使对方的红外探测器探测不到己方的红外辐 光子局域的概念以来，研究人员在研发辐射特性可 射。或者通过改变目标的红外辐射分布状态，使目 控的光子晶体材料上投入了大量的工作，所取得的 标与背景的红外辐射分布状态相协调，从而使目标 研究进展都可以直接或间接地应用于红外隐身中。 的红外图像成为整个背景红外辐射图像的一部分。 1997年，Duic等o基于详细的理论计算设 利用禁带处于红外探测器工作波段的光子晶体可以 计了具有供体和受体缺陷的一维Si/Si0,光子晶体 实现这些目的。 材料.该结构由6周期Si/Si0,构成，实现了对500℃物 1光子晶体基本特性 体红外辐射的强烈抑制，在3.5~4.5μm的红外透 过率几乎为0，对于工作波段在2.5~6um的探测 光子晶体是超材料的一种，它是指介电常数 器具有一定的隐身效果。Djuric等o又通过用同 (或折射率)在空间周期性分布而具有光子禁带的 厚度受体缺陷Si0,代替第5层Si,使波长3.4um出 特殊材料。在光子禁带中，光子态密度消失，导致电 现缺陷态，实现了该波长的红外高透过率。 磁波无法传播：而在光子通带内，光子态密度出现振 1998年，ik等m实现了一维禁带对入射光 荡，并导致光子晶体中出现透射共振。通过对构成 的全方位反射。通过利用相空间的禁带区域对环境 光子品体的材料组成、有效折射率、品格参数等进行 介质的光锥交叠可以实现带有界面的周期系统的全 合理的设计，可以人为地制备出具有特定波段光子 方位反射这一理论基础，简单地用交替聚苯乙烯 禁带的光子晶体。在禁带中心处于可见光波段的光 蹄膜层构造一维光子品体，该材料对10~15μm波 子晶体材料中引入刺激响应性材料，可以实现材料 长范围的红外光呈现全方位反射。由于该结构的材 的结构色肉眼可辨的变化4刀，而禁带处于红外波 料可以通过设计得到所需波段的禁带，因此可以将 段的光子晶体材料则可以实现对红外辐射特性的抑 其用到红外隐身领域。 制和改变，将其与响应性材料结合能够得到对外界 2000年，Lin等2]利用硅棒层层堆叠排列制备 刺激做出适应性响应的智能材料。 三维光子晶体，实现了10~16um波段的热辐射抑 光子晶体的另一个重要特性是光子局域侧 制，同时加强了5~9um波段的热辐射能量（见 若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产 图1)。 生缺陷态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷 0.08 态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，可以通过在光子 T=410K 晶体中引入缺陷，实现相应波段辐射特性的增强。 三层光子品体 光子晶体能够在禁带内实现对入射电磁波的高 硅基底 反射，可以操纵内部光源的红外发射特性，进而抑制 一黑体 相应波段的红外辐射能量，使红外探测装置探测不 到。光子晶体能够改变目标的红外辐射特性，通过 合理的设计，使目标的红外辐射特征与背景相近，从 波长m 而实现红外波段隐身。而变折射率的光子晶体红外 图1三维硅光子晶体的热辐射谱图 隐身材料甚至能够通过模块化设计，动态地将目标 Fig.I Measured thermal emission spectra of 3D 的红外辐射特征与所在环境相匹配，能够极大地提 photonic erystal(PC)samples 高动态隐身效果和实用化的进程。 由于光子晶体的这些独特性质，使其在红外辐 2002年，美国Sandia和Ames实验室的成员 射特性的调控、宽频隐身、自适应隐身方面具有普通 Fleming等)在己经制备好的多晶硅/SiO,结构上 红外隐身材料难以比拟的优势，本文将从以上几个 选择性地移除Si并通过化学气相沉积(CVD)回填 方面介绍国内外光子晶体红外隐身材料的研究进 钨，得到了在远红外(8~20um)波段对热辐射具有 展。 强抑制作用的金属材料三维光子晶体，而且在光子 ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
兵 工 学 报 第 37 卷 差异来获得目标的红外图像信息，工作波段为 8 ～ 14 μm［3］． 红外探测器主要通过目标自身的红外辐 射来发现和识别目标。根据这个特点，可采用改变 己方的红外辐射波段至对方红外探测器的工作波段 之外，使对方的红外探测器探测不到己方的红外辐 射。或者通过改变目标的红外辐射分布状态，使目 标与背景的红外辐射分布状态相协调，从而使目标 的红外图像成为整个背景红外辐射图像的一部分。 利用禁带处于红外探测器工作波段的光子晶体可以 实现这些目的。 1 光子晶体基本特性 光子晶体是超材料的一种，它是指介电常数 ( 或折射率) 在空间周期性分布而具有光子禁带的 特殊材料。在光子禁带中，光子态密度消失，导致电 磁波无法传播; 而在光子通带内，光子态密度出现振 荡，并导致光子晶体中出现透射共振。通过对构成 光子晶体的材料组成、有效折射率、晶格参数等进行 合理的设计，可以人为地制备出具有特定波段光子 禁带的光子晶体。在禁带中心处于可见光波段的光 子晶体材料中引入刺激响应性材料，可以实现材料 的结构色肉眼可辨的变化［4 － 7］，而禁带处于红外波 段的光子晶体材料则可以实现对红外辐射特性的抑 制和改变，将其与响应性材料结合能够得到对外界 刺激做出适应性响应的智能材料。 光子晶体的另一个重要特性是光子局域［8］。 若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产 生缺陷态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷 态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，可以通过在光子 晶体中引入缺陷，实现相应波段辐射特性的增强。 光子晶体能够在禁带内实现对入射电磁波的高 反射，可以操纵内部光源的红外发射特性，进而抑制 相应波段的红外辐射能量，使红外探测装置探测不 到。光子晶体能够改变目标的红外辐射特性，通过 合理的设计，使目标的红外辐射特征与背景相近，从 而实现红外波段隐身。而变折射率的光子晶体红外 隐身材料甚至能够通过模块化设计，动态地将目标 的红外辐射特征与所在环境相匹配，能够极大地提 高动态隐身效果和实用化的进程。 由于光子晶体的这些独特性质，使其在红外辐 射特性的调控、宽频隐身、自适应隐身方面具有普通 红外隐身材料难以比拟的优势，本文将从以上几个 方面介绍国内外光子晶体红外隐身材料的研究进 展。 2 光子晶体红外隐身材料的研究进展 2. 1 光子晶体应用于红外辐射特性的调控 自从 Yablonovitch［8］和 John［9］提出光子晶体和 光子局域的概念以来，研究人员在研发辐射特性可 控的光子晶体材料上投入了大量的工作，所取得的 研究进展都可以直接或间接地应用于红外隐身中。 1997 年，Djuric 等［10］基于详细的理论计算设 计了具有供体和受体缺陷的一维 Si / SiO2光子晶体 材料，该结构由6 周期 Si/ SiO2构成，实现了对500 ℃物 体红外辐射的强烈抑制，在 3. 5 ～ 4. 5 μm 的红外透 过率几乎为 0，对于工作波段在 2. 5 ～ 6 μm 的探测 器具有一定的隐身效果。Djuric 等［10］又通过用同 厚度受体缺陷 SiO2代替第 5 层 Si，使波长 3. 4 μm 出 现缺陷态，实现了该波长的红外高透过率。 1998 年，Fink 等［11］实现了一维禁带对入射光 的全方位反射。通过利用相空间的禁带区域对环境 介质的光锥交叠可以实现带有界面的周期系统的全 方位反射这一理论基础，简单地用交替聚苯乙烯－ 碲膜层构造一维光子晶体，该材料对 10 ～ 15 μm 波 长范围的红外光呈现全方位反射。由于该结构的材 料可以通过设计得到所需波段的禁带，因此可以将 其用到红外隐身领域。 2000 年，Lin 等［12］利用硅棒层层堆叠排列制备 三维光子晶体，实现了 10 ～ 16 μm 波段的热辐射抑 制，同时加强了 5 ～ 9 μm 波段的热辐射能量( 见 图 1) 。 图 1 三维硅光子晶体的热辐射谱图 Fig． 1 Measured thermal emission spectra of 3D photonic crystal( PC) samples 2002 年，美国 Sandia 和 Ames 实 验 室 的 成 员 Fleming 等［13］在已经制备好的多晶硅/ SiO2 结构上 选择性地移除 Si 并通过化学气相沉积( CVD) 回填 钨，得到了在远红外( 8 ～ 20 μm) 波段对热辐射具有 强抑制作用的金属材料三维光子晶体，而且在光子 4451
第8期 基于光子品体技术的红外隐身材料研究进展 1545 带隙的带边出现尖锐的吸收峰。在抑制相应波段的制，热稳定性高达1400℃（见图4和图5）。这种具 同时，实现了在其他波段的高透射率（见图2和有选择性热辐射特性并且可在高温下工作的三维金 图3)。图2中数字为硅棒层数，L为硅棒之间的距离。 属光子晶体，适合作为热红外隐身材料。 ■ 图2三维钨光子晶体的扫描电镜图 图4HB,反蛋白石结构的断面扫描电镜图 Fig.2 SEM graph of 3D tungsten photonie crystal Fig.4 Fracture cross-section micrograph of HfB2-inverse colloidal crystal 光子通 光子带 5 20 图3三维钨光子晶体的反射谱图 Fig.3 Measured reflectance spectra of 3D tungsten 图5钨包覆Si0,模板的反射和辐射光谱 2005年，Enoch等分别采用厚度2mm、直径 Fig.5 Measured emissivity and reflectance of annealed tungsten photonic crystal l5mm的抛光ZnSe作为基底，通过气相沉积法和激 光刻蚀法将Au、ZnSe制成栅栏片层状，通过简单的 2014年之前，热辐射控制材料一旦结构成型 层层堆积方法制成金属-介质三维光子晶体，可在 了，最终的发射光谱也就固定了，无法动态调整 7~12m红外波段表现出较好的热辐射控制性。 Takuya等通过在光子晶体晶格中引入多重量子 2006年，Chan等s1提出利用在周期金属板上 结构，通过外部偏电压的电调控直接控制量子层的 挖孔的方式，将金属板制作成二维金属周期结构，通 吸收率来完成热辐射的迅速调控（见图6和图7）。 过选取合适的金属材质、合适的板厚和阵列孔的直 调控速度高达几百千赫兹甚至超过10MHz,比常规 径，得到了1~10μm理想的热辐射特性。 的温度控制方法快了4倍以上，并且辐射的变化量 2007年，美国Louisiana State University的一个 大，比之前报道的方法大一个数量级。 研究小组提出将光子品体技术应用于高温尾气喷口 2.2光子晶体禁带的展宽 抑制自发辐射特性，把宽波段的热辐射(3~5μm 光子晶体宽的禁带是实现相应波段低的发射 或8~12μm)转换至光伏电池工作波段的辐射 率、从而降低红外可探测性的必备条件。因此在如 (1~2μm),并采用光伏或热光伏电池将该部分辐 何增加禁带宽度方面，研究者们投入了大量的研究 射能转化为电能，可以降低消耗尾气口废热红外特 并取得了一系列的进展。 征信号的同时，为装备提供部分电能。 最简单的方法是在一维二元光子晶体中，增加 2013年，Apin等16为了提高太阳能光电转换 折射率比来增大禁带，选取折射率相差大的高低折 效率，以S0,为模板，采取原子层沉积钨和化学气 射率材料来构造一维光子晶体有利于宽禁带的产 相沉积HB,实现了对2~5m红外发射率的抑 生8。 1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
第 8 期 基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展 带隙的带边出现尖锐的吸收峰。在抑制相应波段的 同时，实现了在其他波段的高透射率( 见 图 2 和 图3) 。图2 中数字为硅棒层数，L 为硅棒之间的距离。 图 2 三维钨光子晶体的扫描电镜图 Fig． 2 SEM graph of 3D tungsten photonic crystal 图 3 三维钨光子晶体的反射谱图 Fig． 3 Measured reflectance spectra of 3D tungsten photonic crystal 2005 年，Enoch 等［14］分别采用厚度 2 mm、直径 15 mm 的抛光 ZnSe 作为基底，通过气相沉积法和激 光刻蚀法将 Au、ZnSe 制成栅栏片层状，通过简单的 层层堆积方法制成金属 － 介质三维光子晶体，可在 7 ～ 12 μm 红外波段表现出较好的热辐射控制性。 2006 年，Chan 等［15］提出利用在周期金属板上 挖孔的方式，将金属板制作成二维金属周期结构，通 过选取合适的金属材质、合适的板厚和阵列孔的直 径，得到了 1 ～ 10 μm 理想的热辐射特性。 2007 年，美国 Louisiana State University 的一个 研究小组提出将光子晶体技术应用于高温尾气喷口 抑制自发辐射特性，把宽波段的热辐射 ( 3 ～ 5 μm 或 8 ～ 12 μm) 转换至光伏电池工作波段的辐射 ( 1 ～ 2 μm) ，并采用光伏或热光伏电池将该部分辐 射能转化为电能，可以降低消耗尾气口废热红外特 征信号的同时，为装备提供部分电能。 2013 年，Arpin 等［16］为了提高太阳能光电转换 效率，以 SiO2为模板，采取原子层沉积钨和化学气 相沉积 HfB2，实现了对 2 ～ 5 μm 红外发射率的抑 制，热稳定性高达 1 400 ℃ ( 见图 4 和图 5) 。这种具 有选择性热辐射特性并且可在高温下工作的三维金 属光子晶体，适合作为热红外隐身材料。 图 4 HfB2-反蛋白石结构的断面扫描电镜图 Fig． 4 Fracture cross-section micrograph of HfB2-inverse colloidal crystal 图 5 钨包覆 SiO2模板的反射和辐射光谱 Fig． 5 Measured emissivity and reflectance of annealed tungsten photonic crystal 2014 年之前，热辐射控制材料一旦结构成型 了，最终的发射光谱也就固定了，无法动态调整。 Takuya 等［17］通过在光子晶体晶格中引入多重量子 结构，通过外部偏电压的电调控直接控制量子层的 吸收率来完成热辐射的迅速调控( 见图 6 和图 7) 。 调控速度高达几百千赫兹甚至超过 10 MHz，比常规 的温度控制方法快了 4 倍以上，并且辐射的变化量 大，比之前报道的方法大一个数量级。 2. 2 光子晶体禁带的展宽 光子晶体宽的禁带是实现相应波段低的发射 率、从而降低红外可探测性的必备条件。因此在如 何增加禁带宽度方面，研究者们投入了大量的研究， 并取得了一系列的进展。 最简单的方法是在一维二元光子晶体中，增加 折射率比来增大禁带，选取折射率相差大的高低折 射率材料来构造一维光子晶体有利于宽禁带的产 生［18］。 5451
1546 兵工学报 第37卷 电极 P型砷化擦一M一 阻挡层 D-7.5% 图6热辐射控制器件示意图 Fig.6 Model of device used for thermal radiation conto 類率o。 图8不同无序度的一维二元光子晶体反射 光谱变化（垂直入射） Fig.8 Reflectance speetra of different disordered 1D binary photonie crystals (normal incidence) 体结构中引入等离子体来实现禁带的拓宽。 受三元光子晶体和异质结构光子晶体的启发 2012年，Humg等2通过掺杂金属层或构建异质结 1000 1100 1200 波数/cm 构来拓宽半导体光子晶体的红外禁带，每周期由金 图70-10V反向电压下的透射光谱 属-电介质-半导体构成，通过S引的掺杂浓度来控制 Fig.7 Measured transmittance spectra as a function S的折射率，层叠两种或更多的普通二元光子晶体 of reverse bias at 0~10 V 结构成异质结构，从而得到极宽的光子禁带（见 图10和图11)。图10中，d,为掺杂金属层厚度。 在光子晶体结构中引入无序成分也可以加强禁 2.3多波段隐身兼容 带宽度。2000年，Li等[设计出无序一维二元光 随着红外制导技术、雷达制导技术和可见光及 子晶体结构，实现了0.5~4(w。为波数，即频率 激光制导技术等多频段、高精度制导技术的不断成 单元，=2π/入。，入。为晶体光学厚度，设一维二元 熟，要求隐身材料的研究也必须向着多波段兼容隐 光子晶体具有相同的光学厚度)的宽禁带，他利用 身的方向发展。 周期结构引起的布拉格反射和无序结构引起的光局 2000年，Blanco等)用800nmSi02制备光了 域相结合极大地扩展光子禁带。在保持电磁波波长 晶体，以此为模板，去除Si02后化学气相沉积填充 不变的情况下，通过将介质层厚度以高斯分布的形 S,大面积制备了具有双波段完全光子禁带的三维 式进行选取，在不同的无序度下得到了不同程度的 硅基光子品体（见图12）。 光子禁带移动和拓展（见图8）。图8中，D为无序 2001年，Temelkuran等2研究全向反射镜制备 度。 的一维光子晶体的两个带隙，首次在4.5~5.5m 将两种或以上的一维光子晶体构造异质结构、 和8~12m两个红外大气窗口上对任意偏振态实 可以极大地拓展禁带宽度。2002年，Wang等0选 现了全角度反射。 取两个禁带可以彼此交叠的一维光子晶体，实现了 2006年，Aliev等2使用硫系玻璃AMTIR-填 光子晶体1和光子晶体2的合并拓宽（见图9）。 充S02蛋白石晶体除去模板制成反蛋白石光子晶 在普通一维二元光子晶体结构中引入超导体、 体，通过适当地控制晶格参数和填充率，可以使该结 等离子体等新材料构造一维三元光子晶体，是拓展 构光子晶体在中红外和远红外波段产生完全光子带 禁带宽度的新思路。2011年，Dai等2m在三元光子 隙。其样品在3~5um和8~12μm两个红外大气 晶体中使用超导体材料，极大地拓宽了禁带，而且借 窗口波段的反射率可达90%以上。该结构在保持 助超导体渗透长度的角度依赖性，实现了禁带的温 红外透明介质本身的低吸收特性的同时，利用光子 度调控。同年，Komg等四在一维新型三元光子晶 晶体结构对禁带光波的高反射特性有效阻隔来自目 1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
兵 工 学 报 第 37 卷 图 6 热辐射控制器件示意图 Fig． 6 Model of device used for thermal radiation control 图 7 0 ～ 10 V 反向电压下的透射光谱 Fig． 7 Measured transmittance spectra as a function of reverse bias at 0 ～ 10 V 在光子晶体结构中引入无序成分也可以加强禁 带宽度。2000 年，Li 等［19］设计出无序一维二元光 子晶体结构，实现了 0. 5 ～ 4ω0 ( ω0 为波数，即频率 单元，ω0 = 2π/λ0，λ0 为晶体光学厚度，设一维二元 光子晶体具有相同的光学厚度) 的宽禁带，他利用 周期结构引起的布拉格反射和无序结构引起的光局 域相结合极大地扩展光子禁带。在保持电磁波波长 不变的情况下，通过将介质层厚度以高斯分布的形 式进行选取，在不同的无序度下得到了不同程度的 光子禁带移动和拓展( 见图 8) 。图 8 中，D 为无序 度。 将两种或以上的一维光子晶体构造异质结构， 可以极大地拓展禁带宽度。2002 年，Wang 等［20］选 取两个禁带可以彼此交叠的一维光子晶体，实现了 光子晶体 1 和光子晶体 2 的合并拓宽( 见图 9) 。 在普通一维二元光子晶体结构中引入超导体、 等离子体等新材料构造一维三元光子晶体，是拓展 禁带宽度的新思路。2011 年，Dai 等［21］在三元光子 晶体中使用超导体材料，极大地拓宽了禁带，而且借 助超导体渗透长度的角度依赖性，实现了禁带的温 度调控。同年，Kong 等［22］在一维新型三元光子晶 图 8 不同无序度的一维二元光子晶体反射 光谱变化( 垂直入射) Fig． 8 Ｒeflectance spectra of different disordered 1D binary photonic crystals ( normal incidence) 体结构中引入等离子体来实现禁带的拓宽。 受三元光子晶体和异质结构光子晶体的启发， 2012 年，Hung 等［23］通过掺杂金属层或构建异质结 构来拓宽半导体光子晶体的红外禁带，每周期由金 属－电介质－半导体构成，通过 Si 的掺杂浓度来控制 Si 的折射率，层叠两种或更多的普通二元光子晶体 结构成异 质 结 构，从而得到极宽的光子禁带( 见 图 10和图 11) 。图 10 中，d1 为掺杂金属层厚度。 2. 3 多波段隐身兼容 随着红外制导技术、雷达制导技术和可见光及 激光制导技术等多频段、高精度制导技术的不断成 熟，要求隐身材料的研究也必须向着多波段兼容隐 身的方向发展。 2000 年，Blanco 等［24］用 800 nm SiO2制备光子 晶体，以此为模板，去除 SiO2 后化学气相沉积填充 Si，大面积制备了具有双波段完全光子禁带的三维 硅基光子晶体( 见图 12) 。 2001 年，Temelkuran 等［25］研究全向反射镜制备 的一维光子晶体的两个带隙，首次在 4. 5 ～ 5. 5 μm 和 8 ～ 12 μm 两个红外大气窗口上对任意偏振态实 现了全角度反射。 2006 年，Aliev 等［26］使用硫系玻璃 AMTIＲ-1 填 充 SiO2蛋白石晶体除去模板制成反蛋白石光子晶 体，通过适当地控制晶格参数和填充率，可以使该结 构光子晶体在中红外和远红外波段产生完全光子带 隙。其样品在 3 ～ 5 μm 和 8 ～ 12 μm 两个红外大气 窗口波段的反射率可达 90% 以上。该结构在保持 红外透明介质本身的低吸收特性的同时，利用光子 晶体结构对禁带光波的高反射特性有效阻隔来自目 6451
第8期 基于光子品体技术的红外隐身材料研究进展 1547 光子禁带 06 波长m 图113种一维光子晶体构成的异质 结构的反射光谱图 Fig.11 Calculated reflectance spectra of heterostructure PC of PCI+PC2+PC3 010 03 0.4 光子晶体2的透射光谱图 T aR阅反蛋白石的 而猫电镜 0.1 0.2 0.3 0.4 1.01520253.03.54.0 图9光子晶体的透射光谱图 R硅反白百的反射清 nverse opal Fig.9 Transmittance spectra of photonic erystals 图12硅反蛋白石的表面扫描电镜图和反射谱图 Fig.12 SEM image and reflectance spectra of silicon 1.0 inverse opal 0.8 d.=l nm d,=5 nm d,=10 nm 晶体，与Temelkuran等四设计的光子晶体相比具 d=15 有更宽的光子禁带，在3.45.3μm和7.9 12.2μm两个波段实现了对任意偏振态的全反射 1.3 1. 6 1.7 相对带宽分别达到了49.6%和42.3%.并且通过 禁带宽度m 进一步改进材料的填充比，将全向反射的波段拓展 图10不同金属层厚度对应的禁带宽度计算图 为3.4~5.4μm和8~12.5m,相对带宽分别达到 Fig.10 Calculated PBGs of a binary PC corresponding 49.8%和43.1%，完全能够适应中、远红外隐身兼 to metal layers with different thichnesses 容。 标的红外辐射信号，实现近红外与远红外隐身兼容 2011年，高永芳等2]通过构造一维异质结构 2008年，赵大鹏等)]采用异质结构方法设计 光子晶体，实现了光子带隙的展宽，在2.91 了由碲和聚乙烯材料组成的中、远红外双波段光子 5.12um和7.62~12.29μm波段的光谱反射率大 ?1994-2018 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.net
第 8 期 基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展 图 9 光子晶体的透射光谱图 Fig． 9 Transmittance spectra of photonic crystals 图 10 不同金属层厚度对应的禁带宽度计算图 Fig． 10 Calculated PBGs of a binary PC corresponding to metal layers with different thichnesses 标的红外辐射信号，实现近红外与远红外隐身兼容。 2008 年，赵大鹏等［27］采用异质结构方法设计 了由碲和聚乙烯材料组成的中、远红外双波段光子 图 11 3 种一维光子晶体构成的异质 结构的反射光谱图 Fig． 11 Calculated reflectance spectra of heterostructure PC of PC1 + PC2 + PC3 图 12 硅反蛋白石的表面扫描电镜图和反射谱图 Fig． 12 SEM image and reflectance spectra of silicon inverse opal 晶体，与 Temelkuran 等［25］设计的光子晶体相比具 有更宽的光子禁带，在 3. 4 ～ 5. 3 μm 和 7. 9 ～ 12. 2 μm两个波段实现了对任意偏振态的全反射， 相对带宽分别达到了 49. 6% 和 42. 3% ． 并且通过 进一步改进材料的填充比，将全向反射的波段拓展 为 3. 4 ～ 5. 4 μm 和 8 ～ 12. 5 μm，相对带宽分别达到 49. 8% 和 43. 1% ，完全能够适应中、远红外隐身兼 容。 2011 年，高永芳等［28］通过构造一维异质结构 光子 晶 体，实现了光子带隙的展宽，在 2. 91 ～ 5. 12 μm和 7. 62 ～ 12. 29 μm 波段的光谱反射率大 7451