一种温度限域型热辐射动态调控器件及其制备方法

本发明涉及热辐射动态调控，具体涉及一种温度限域型热辐射动态调控器件及其制备方法。

背景技术：

1、根据stefan-boltzmann（斯特藩-玻尔兹曼）定律，黑体辐射功率与绝对温度的四次方成正比，因此对于传统静态热发射材料而言，其表面发射率通常是固定的，随着温度升高，器件的红外辐射强度会单调增加。这种固定且可预测的红外辐射特征，限制了其在复杂热信号调控、智能红外显示和动态热伪装等领域中的应用。

2、为克服静态热发射材料调控能力不足的问题，研究人员发展了多种可调光学材料和动态热辐射调控器件。例如，电致变色材料、热致变色材料、力致变色材料以及基于vo2相变材料的红外调控器件，均可以在外界刺激作用下改变材料的光学性质，从而实现对红外发射率、透过率或反射率的动态调节。其中，vo2是一种典型的热致相变材料，在相变温度附近可由低温绝缘相转变为高温金属相，其红外光学常数会发生显著变化，因此常被用于制备智能窗、红外辐射调控器件和自适应热管理器件。

3、现有基于vo2的动态热辐射调控器件通常利用vo2相变前后红外透射率、反射率或吸收率的变化，实现器件红外辐射强度的调节。例如vo2薄膜或vo2多层膜结构可以在升温过程中由高发射状态转变为低发射状态，或者由低发射状态转变为高发射状态，从而实现单方向的红外辐射调控。部分研究还通过构建金属/介质/ vo2多层结构、f-p腔结构或超表面结构，提高vo2器件的红外调制幅度和光谱选择性。

4、但是，现有动态热辐射调控技术仍然存在明显不足。首先，传统静态材料的发射率固定，无法随温度或外界环境进行主动调节，其红外辐射信号单一且容易被识别。其次，现有可调材料和vo2基器件本质上属于二态调控系统，即材料或器件主要在两个光学状态之间切换（透过、反射和吸收），其发射率通常只能随温度单调升高或单调降低，难以实现“低—高—低”或“高—低—高”等非单调热辐射响应。再次，现有器件往往只能对吸收、透射或反射中的某一个或两个光学参量进行局部调控，缺乏对吸收率、透过率和反射率三者的全局动态控制能力，因此难以突破传统二态调控器件的物理限制。最后，现有热辐射器件通常难以在特定温度窗口内选择性增强红外辐射、并在该温度窗口之外抑制红外辐射，限制了其在温度限域型红外发射、热信息加密和多级红外编码等场景中的应用。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种温度限域型热辐射动态调控器件及其制备方法，在基底垂直方向上构建具有不同相变动力学特性的vo2基多层薄膜结构，使器件在不同温度区间依次表现出高透过、高吸收和高反射状态，从而突破传统热发射器件辐射功率随温度单调变化的限制。

2、为了解决上述技术问题，本发明第一方提供了一种温度限域型热辐射动态调控器件，包括基底以及设置于基底上的温度限域型热发射结构，所述热发射结构通过vo2基多层薄膜实现对红外透射、吸收和反射三个光学系数的动态调控；

3、所述热发射结构沿远离基底方向顺序设置第一w掺杂vo2层、介质层、vo2层、第二w掺杂vo2层。

4、本发明在垂直方向上构建具有不同相变动力学特性的vo2基多层薄膜结构，由于w掺杂vo2（w-vo2）层、vo2层在不同温度下的光学响应不同，器件在低温时各vo2基（vo2/w-vo2）薄膜处于绝缘相，整体表现为高透过或低发射状态；当温度升高至w- vo2层发生相变时，器件形成f-p腔共振吸收结构，表现出高吸收和高发射状态；当温度进一步升高至未掺杂vo2层发生相变时，vo2层转变为金属相并产生强红外反射，使器件重新进入低发射状态，由此实现热发射率随温度呈现“低-高-低”的非单调变化。器件同时具备较大的透过率变化、吸收率变化和反射率变化，实现对红外透射、吸收和反射三个光学系数的全局动态调控，从而突破传统热发射器件辐射功率随温度单调变化的限制。

5、进一步的，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层中w的原子数量占比独立地选自0.01-5at%，对应vo2薄膜的相变温度范围为68℃至-24℃。

6、进一步的，所述介质层的材质选自hfo2、al2o3、cuo、cr2o3、ag2o、tio2、nio、sio2、geo2。

7、进一步的，所述基底选自si、ge、al、ag、au、w、金刚石、caf2、baf2、ito、azo、fto中的一种。

8、进一步的，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层的厚度独立地选自10-1000nm。

9、进一步的，所述介质层的厚度为10nm-5μm。

10、进一步的，所述vo2层的厚度为10-1000nm。

11、本发明第二方面提供第一方面所述的温度限域型热辐射动态调控器件的制备方法，包括如下步骤：

12、s1、提供一抛光基底；

13、s2、将所述基底置于磁控溅射舱体中顺序沉积第一w掺杂vo2层、介质层、vo2层和第二w掺杂vo2层。

14、进一步的，s1中，还包括基底清洗和干燥步骤。

15、进一步的，s2中，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层的沉积采用w掺杂v金属靶；

16、所述vo2层沉积采用v金属靶；所述介质层沉积采用hf、al、cu、cr、ag、ti、ni、si或ge靶。

17、本发明的有益效果：

18、本发明热辐射动态调控器件构建具有不同相变动力学特性的vo2基多层薄膜结构，实现了红外透过、吸收和反射的全局动态调控，可将传统热发射器件中随温度单调变化的红外辐射行为转变为温度限域型的非单调辐射发射，使热发射率随温度呈现“低-高-低”的三态变化规律，构建出温度域中的“热带通滤波器”。

19、本发明可通过调控 w-vo2、vo2和及介质层厚度，可实现红外透射、吸收和反射的协同调节，可获得较高的吸收率、透过率和反射率变化；可通过调节w掺杂浓度、vo2相变温度以及相变滞回宽度进行定制，实现不同目标温度窗口下的选择性热发射。

20、本发明器件可在特定温度区间内显著增强红外热辐射，而在低温和高温区间内抑制红外热辐射，因此可用于温度限域型红外显示、动态热伪装、热信息加密和多级信息编码。

1.一种温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，包括基底以及设置于基底上的温度限域型热发射结构，所述热发射结构通过vo2基多层薄膜实现对红外透射、吸收和反射三个光学系数的动态调控；

2.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层中w的原子数量占比独立地选自0.01-5at%。

3.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述介质层的材质选自hfo2、al2o3、cuo、cr2o3、ag2o、tio2、nio、sio2、geo2。

4.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述基底选自si、ge、al、ag、au、w、金刚石、caf2、baf2、ito、azo、fto中的一种。

5.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层的厚度独立地选自10-1000nm。

6.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述介质层的厚度为10nm-5μm。

7.如权利要求1所述的温度限域型热辐射动态调控器件，其特征在于，所述vo2层的厚度为10-1000nm。

8.一种权利要求1-7任一项所述的温度限域型热辐射动态调控器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的温度限域型热辐射动态调控器件的制备方法，其特征在于，s1中，还包括基底清洗和干燥步骤。

10.如权利要求8所述的温度限域型热辐射动态调控器件的制备方法，其特征在于，s2中，所述第一w掺杂vo2层和第二w掺杂vo2层的沉积采用w掺杂v金属靶；