CN111060993B - 渐变折射率膜系 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种渐变折射率膜系，通过选择适当介质、相变材料设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM‑1/PCM‑2/PCM‑3/…/衬底，PCM‑1/PCM‑2/PCM‑3/…的折射率均不同，且PCM‑1/PCM‑2/PCM‑3/…的折射率由小到大形成渐变状态，通过电磁场仿真模拟研究膜系参数n、k和d对膜系发射率的影响，获取最优化膜系参数，本发明通过对渐变折射率膜系施加电或热的外加激励主动地调整被伪装目标在3‑5μm和8‑12μm两个大气透射窗口的辐射强度，使目标与周边环境的热辐射功率一致，从而实现红外隐身的要求；同时，本发明提供的结构设计方法为非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的制备提供理论支持，同时获得的高性能涂层是热管理涂层的理想候选材料。

Description

渐变折射率膜系
技术领域
本发明涉及非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的结构设计领域，具体为一种渐变折射率膜系。
背景技术
红外发射率主动调制涂层是通过控制适当的外加激励从而实现灵活、准确调制红外发射率状态的功能涂层。红外发射率主动调制涂层对需要控制目标红外辐射的应用具有极大的影响，如红外伪装涂层、热管理涂层及建筑物的节能装置等领域。理想的红外发射率主动调制涂层材料需要同时满足多项性质指标，具体包括：(1)在3-5μm和8-12μm两个大气透射窗口具备高的发射率调谐量，以匹配不同背景的辐射热特征，实现更好的隐匿。(2)具有非易失性。非易失性是指在撤去激励源情况下可以长时间保持发射率状态的能力。选择非易失性材料，不仅耗能低而且可防止激励源产生的热信号暴露目标。(3)高发射率与低发射率的切换速度快，响应时间短。在复杂多变的环境下，在3-5μm和8-12μm波段内同时进行发射率主动调制，才能实现军事目标最好的隐匿效果。为了进一步推动军事和航空航天技术的发展，研发出综合性能更优异的非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层材料是一个亟待解决的问题。
目前为止，非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的技术难点在于缺少可资借鉴的相关方法和技术，具体表现在：(1)尽管研究者注意到硫系相变材料(PCMs)是一种综合性质优异的非易失红外发射率主动调制涂层材料，但所报道的PCMs基的膜系仅能单独在3-5μm或8-12μm波段里实现较高的发射率调谐量，如何在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段同时实现发射率从低到高的调制尚没有实现。硫系相变材料(PCMs)指的是至少含有一种硫族(第VI主族)元素，在适当的热激励作用下能够从非晶态快速转变为结晶态的合金材料。(2)虽然现有的静态红外发射率涂层可以实现在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段高发射的性能要求，但无法实现在两个大气窗口内发射能力的主动调控。
发明内容
本发明的目的在于同时解决上述两个技术难点，提供一种渐变折射率膜系。
为实现上述目的，本发明通过以下方案予以实现：
一种渐变折射率膜系，通过选择适当介质、相变材料设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/衬底，PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，获取最优化膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
优选的，衬底选用单晶Si；介质层1选用Al2O3材料，其厚度为800nm；介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为500nm。
优选的，衬底选用单晶Si；介质层1选用Al2O3材料，其厚度为760nm；介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为800nm。
优选的，通过选择适当介质、相变材料设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/金属反射镜/衬底，PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，获取最优化膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
优选的，衬底选用单晶Si；介质层1选用MgF2材料，其厚度为550nm；介质层2选用Al2O3材料，其厚度为400nm；介质层3选用ZnS材料，其厚度为700nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为100nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为80nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为750nm；金属反射镜选用Au材料，其厚度为120nm。
优选的，本发明提供一种渐变折射率膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Al2O3靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种渐变折射率膜系。其创造性在于同时解决了如下两个技术难题：(1)尽管研究者注意到PCM是一种综合性质优异的非易失红外发射率主动调制薄膜材料，但相关研究刚刚起步，还有许多重要的理论和实验工作亟待全面系统地开展。关于如何通过PCM实现红外发射率主动调制尚没有具体的结构设计方法和原理。(2)现在的结构多是双波段静态高发射率结构，关于如何实现双波段红外发射率主动调制尚没有具体的结构设计方法和原理。
本发明提供了渐变折射率膜系。其创新性在于：(1)首次发现空位或杂质引入能够使相变材料的光学常数呈现梯度渐变的特征，并将利用此特征制备出具有渐变折射率结构的多层PCM膜系；(2)把渐变层增透原理用于发射率设计上，实现3-5μm和8-12μm双波段的发射率调制。
本发明通过渐变折射率结构和非易失性的PCM的结合(过渡金属和惰性金属)，提供了一种非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的结构设计方法——渐变折射率膜系。在复杂多变的环境温度下，可以通过对渐变折射率膜系施加电或热的外加激励主动地调整被伪装目标在3-5μm和8-12μm两个大气透射窗口的辐射强度，使目标与周边环境的热辐射功率一致，从而实现红外隐身的要求；辐射热调控应用则要求涂层的辐射率随环境温度的改变而改变。同时，本发明提供的结构设计方法为非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的制备提供理论支持，同时获得的高性能涂层是热管理涂层的理想候选材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明不同掺杂和空位浓度的Ge2Sb2Te5的折射率n图；
图2是本发明不同掺杂和空位浓度的Ge2Sb2Te5的消光系数k图；
图3是本发明实施例1的多层渐变折射率PCM膜系的概念示意图；
图4是本发明实施例1的结构示意图；
图5是本发明实施例1的模拟发射光谱图；
图6是本发明实施例3的多层渐变折射率PCM膜系的概念示意图；
图7是本发明实施例3的结构示意图；
图8是本发明实施例3的模拟发射光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-5所示，一种渐变折射率膜系，通过选择适当介质、相变材料(PCM)设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/衬底，PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，通过电磁场仿真模拟研究膜系参数n、k和d对膜系发射率的影响，获取最优化膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
衬底选用单晶Si(100)；介质层1选用Al2O3材料，其厚度为800nm；介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为500nm。
一种实施例1中的渐变折射率膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si(100)衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Al2O3靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
本实施例将空位或杂质引入使相变材料的光学常数呈现梯度渐变，并利用此特征制备出具有渐变折射率结构的多层PCM膜系；把渐变层增透原理用于发射率设计上，实现3-5μm和8-12μm双波段的发射率调制。
实施例2
参阅图1-3，一种渐变折射率膜系，通过选择适当介质、相变材料(PCM)设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/衬底，PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，通过电磁场仿真模拟研究膜系参数n、k和d对膜系发射率的影响，获取最优化膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
衬底选用单晶Si(100)；介质层1选用Al2O3材料，其厚度为760nm；介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为800nm。
一种实施例2中的渐变折射率膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si(100)衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Al2O3靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
实施例3
参阅图1-2和图6-8，一种渐变折射率膜系，通过选择适当介质、相变材料(PCM)设计多层渐变折射率膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/金属反射镜/衬底，PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，通过电磁场仿真模拟研究膜系参数n、k和d对膜系发射率的影响，获取最优化膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
衬底选用单晶Si(100)；介质层1选用MgF2材料，其厚度为550nm；介质层2选用Al2O3材料，其厚度为400nm；介质层3选用ZnS材料，其厚度为700nm；PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为100nm；PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为80nm；PCM-5选用GeTe材料，其厚度为750nm；金属反射镜选用Au材料，其厚度为120nm。
一种实施例3中的渐变折射率膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si(100)衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Al2O3靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
本发明的实施例1、实施例2和实施例3中的PCM-1/PCM-2/PCM-3/…指的是PCM-1/PCM-2/PCM-3/PCM-4/PCM-5。
本发明提供了一种渐变折射率膜系。其创造性在于同时解决了如下两个技术难题：(1)尽管研究者注意到PCM是一种综合性质优异的非易失红外发射率主动调制薄膜材料，但相关研究刚刚起步，还有许多重要的理论和实验工作亟待全面系统地开展。关于如何通过PCM实现红外发射率主动调制尚没有具体的结构设计方法和原理。(2)现在的结构多是双波段静态高发射率结构，关于如何实现双波段红外发射率主动调制尚没有具体的结构设计方法和原理。
本发明提供了渐变折射率膜系。其创新性在于：(1)首次发现空位或杂质引入能够使相变材料的光学常数呈现梯度渐变的特征，并将利用此特征制备出具有渐变折射率结构的多层PCM膜系；(2)把渐变层增透原理用于发射率设计上，实现3-5μm和8-12μm双波段的发射率调制。
本发明通过渐变折射率结构和非易失性的PCM的结合(过渡金属和惰性金属)，提供了一种非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的结构设计方法——渐变折射率膜系。在复杂多变的环境温度下，可以通过对渐变折射率膜系施加电或热的外加激励主动地调整被伪装目标在3-5μm和8-12μm两个大气透射窗口的辐射强度，使目标与周边环境的热辐射功率一致，从而实现红外隐身的要求；辐射热调控应用则要求涂层的辐射率随环境温度的改变而改变。同时，本发明提供的结构设计方法为非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的制备提供理论支持，同时获得的高性能涂层是热管理涂层的理想候选材料。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种渐变折射率膜系，其特征在于：通过选择适当介质、PCM设计多层渐变折射率PCM膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/衬底，所述PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，获取最优化膜系参数n、k和d，所述n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
2.根据权利要求1所述的一种渐变折射率膜系，其特征在于：所述衬底选用单晶Si；所述介质层1选用Al2O3材料，其厚度为800nm；所述介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；所述PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；所述PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；所述PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；所述PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；所述PCM-5选用GeTe材料，其厚度为500nm。
3.根据权利要求1所述的一种渐变折射率膜系，其特征在于：所述衬底选用单晶Si；所述介质层1选用Al2O3材料，其厚度为760nm；所述介质层2选用ZnS材料，其厚度为600nm；所述PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；所述PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；所述PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为40nm；所述PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为40nm；所述PCM-5选用GeTe材料，其厚度为800nm。
4.一种渐变折射率膜系，其特征在于：通过选择适当介质、PCM设计多层渐变折射率PCM膜系，其通式为介质层1/介质层2/…/PCM-1/PCM-2/PCM-3/…/金属反射镜/衬底，所述PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率均不同，且PCM-1/PCM-2/PCM-3/…的折射率由小到大形成渐变状态，获取最优化膜系参数n、k和d，所述n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
5.根据权利要求4所述的一种渐变折射率膜系，其特征在于：所述衬底选用单晶Si；所述介质层1选用MgF2材料，其厚度为550nm；介质层2选用Al2O3材料，其厚度为400nm；所述介质层3选用ZnS材料，其厚度为700nm；所述PCM-1选用氮掺杂Ge2Sb2Te5材料，其厚度为12nm；所述PCM-2选用Ge2Sb2Te5材料，其厚度为20nm；所述PCM-3选用Ge1Sb2Te4材料，其厚度为100nm；所述PCM-4选用Ge2Sb2Te4材料，其厚度为80nm；所述PCM-5选用GeTe材料，其厚度为750nm；所述金属反射镜选用Au材料，其厚度为120nm。
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