CN111505757B - 利用对称中心缺陷的红外与激光兼容伪装膜系结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构：B[AB]nT[BA]nB，A、B膜层为固态材料层，固态材料选自ZnS、ZnSe、PbTe、Al2O3、Te、Ge、Si、SiO2、TiO2、Si3N4、MgF2、PbF2中的任意一种或两种以上；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB＝5300nm；所述T为中心缺陷膜层，T膜层厚度dT≤10nm。本发明具备3～5μm与8～14μm双红外波段高反射，并在10.6μm激光附近频域形成“挖孔”现象，急剧减小呈现低反射率的光子局域特性，从而具备红外与激光兼容伪装功能，性能优异，膜系结构简单，为规避红外与激光复合模式的联合探测的光学综合伪装防护需求提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，涉及多波段兼容隐身技术领域。
背景技术
现代战场上的精确制导和侦察技术已经日益多样化，形在多维空间侦察体系。隐身技术是躲避摧毁与达成突袭的重要手段，按照其要规避的探测手段可分为雷达隐身、红外隐身、激光隐身、可见光隐身等。现有隐身技术大都存在功能单一、波段兼容性差、动态可调控性差等局限性，无法同时应对雷达、红外、激光、光谱等多种手段的联合探测，因此多频谱兼容伪装技术都迫切的亟待协同发展。当前多模复合制导技术与探测手段，尤其是以激光和红外复合探测为主，因此实现激光与红外的兼容隐身是现代战场环境的迫切要求。然而，现在多频谱兼容隐身技术研究范畴的难点之一就是无法解决红外隐身与激光隐身的兼容性。红外探测器工作波段主要利用中波3～5μm、长波8～14μm两个红外大气窗口波段，通常期望对热红外光波具备高反射率，减小红外热吸收，实现红外低发射率而达到较好红外隐身效果。然而，激光探测器是一种主动有源式探测，通常采用波长为10.6μm的二氧化碳激光器，也恰恰处于红外光谱的波段内，需要最大程度的降低隐身材料对激光的反射率，避免信号返回被接收到可探测特征。这是至今隐身材料研究领域一直想克服却难以实现的矛盾体，增大了隐身目标被发现概率的隐患。
光子晶体超构材料与半导体的电子波函数调制相类似，原则上可以通过设计光子晶体及其器件，达到控制光波在结构内的传播状态，已相继提出了光子晶体光纤、光子晶体微波天线、光子晶体波导等全新光子学器件。通过设计新型光子晶体结构，可以期待为多波段兼容型光学伪装技术提供一定的解决思路。
综上所述，现代光电探测技术趋向红外与激光复合模式的多频谱探测发展，然而传统隐身技术及其材料却举步难行，迫切需要能实现红外光与激光兼容伪装功能的新材料和新结构。因此，基于光子晶体特性的特殊膜系结构设计与复合功能材料开发，形成具备红外与激光兼容型隐身功能的特殊人造结构材料，具有非常重要的工程实用价值。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，本发明通过设计一种特殊的对称性人造光子晶体双异质结构材料器件，并在对称中心处引入二维半导体材料缺陷层，在10.6μm附近处形成相应的缺陷能级，使得红外高反射光谱宽禁带中实现“挖孔”效应，仅在10.6μm附近出现光子局域现象，并形成较窄频域的低反射率带。由此，构成红外与激光的兼容型光学伪装功能膜系结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，该膜系结构以中心缺陷膜层T呈两侧对称性排列分布，其中，A、B膜层为固态材料层，固态材料选自ZnS、ZnSe、PbTe、Al2O3、Te、Ge、Si、SiO2、TiO2、Si3N4、MgF2、PbF2等光学薄膜材料中的任意一种或两种以上；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数，优选2；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB＝5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成，半导体材料选自石墨烯或MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等层状过渡金属硫属化合物二维材料中的任意一种或两种以上，T膜层厚度dT≤10nm。
本发明的利用对称中心缺陷含二维半导体材料的双异质膜系结构，具备3～5μm与8～14μm双红外波段高反射，并在10.6μm激光附近频域形成“挖孔”现象，急剧减小呈现低反射率的光子局域特性，从而具备红外与激光兼容伪装功能，可以作为/用于制备红外与激光兼容伪装材料。本发明首次提出利用对称中心缺陷含二维半导体材料的方式来调控人造周期性电介质结构的红外光波传导特性，且受对称中心缺陷层两侧周期性结构中光密介质与光疏介质先后排序的影响较小，比传统的光子晶体“光谱挖孔”结构设计更为可靠，且性能优异，膜系结构简单，为规避红外与激光复合模式的联合探测的光学综合伪装防护需求提供了解决方案。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
图1：异质膜系结构B[AB]2T[BA]2B的结构示意图(实施例1)。
图2：在700nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性示意图(实施例1)。
图3：在700nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性示意图(实施例2)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
实施例1
当n＝2时，对称中心缺陷含二维半导体材料的双异质膜系结构为B[AB]2T[BA]2B，如图1所示，对称中心缺陷层T采用MoSe2层状二维材料，厚度dT为5nm。若A、B膜层的折射率分别为nA、nB，膜层厚度分别为dA、dB，存在关系为nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB＝5300nm。现采用PbTe(折射率5.6)、SiO2(折射率1.45)、Ge(折射率4.2)、ZnS(折射率2.2)四种材料以4种不同复合方式证实该膜系结构用于实现10.6μm激光、3～5μm中红外与8～14μm远红外波段兼容型伪装功能的可行性，具体膜层参数设计如表1所示。
表1
| 序号 | A膜层材料 | B膜层材料 | A膜层厚度d<sub>A</sub>(nm) | B膜层厚度d<sub>B</sub>(nm) |
| 1 | PbTe | SiO<sub>2</sub> | 472 | 1830 |
| 2 | Ge | ZnS | 631 | 1204 |
| 3 | SiO<sub>2</sub> | PbTe | 1830 | 472 |
| 4 | ZnS | Ge | 1204 | 631 |
模拟计算光线垂直入射在复合膜层材料表面时，在700nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性如图2所示。由图可知，4种不同材料复合方式构成的对称中心缺陷含二维半导体材料的双异质膜系结构B[AB]2T[BA]2B在3～5μm、8～14μm的中远红外波段都具备高反射特性，且在10.6μm附近的激光波段处形成光谱挖孔效应；同时，可以看出受对称中心缺陷层T两侧周期性结构B[AB]2中光密介质与光疏介质先后排序的影响较小，使得这类膜系结构具有设计简单且可靠性强的优点。因此，具备了中远红外与10.6μm激光波段的兼容隐身功能。
实施例2
当n＝2时，对称中心缺陷含二维半导体材料的双异质膜系结构为B[AB]nT[BA]nB，如图1所示，A、B膜层的折射率分别为nA、nB，膜层厚度分别为dA、dB，存在关系为nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB＝5300nm。A膜层材料采用Te，折射率nA为4.8，膜层厚度dA为552nm；B膜层材料采用TiO2，折射率nB为2.2，膜层厚度dB为1204nm。
对称中心缺陷层T分别采用石墨烯、MoSe2、WS2三种二维半导体材料，验证膜系结构用于实现10.6μm激光、3～5μm中红外与8～14μm远红外波段兼容型伪装功能的可行性，具体膜层参数设计如表2所示。
表2
| 序号 | 对称中心缺陷层T材料 | T膜层厚度d<sub>T</sub>(nm) |
| 1 | 石墨烯 | 3 |
| 2 | MoSe<sub>2</sub> | 6 |
| 3 | WS<sub>2</sub> | 10 |
模拟计算光线垂直入射在复合膜层材料表面时，在700nm～15000nm的红外波段的反射光谱特性如图3所示。由图可知，双异质膜系结构B[AB]2T[BA]2B的对称中心缺陷层T分别采用石墨烯、MoSe2、WS2三种二维半导体材料后，都能在3～5μm、8～14μm的中远红外波段都具备高反射特性，且在10.6μm附近的激光波段处形成光谱挖孔效应。因此，具备了性能优异的中远红外与10.6μm激光波段的兼容隐身功能。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (8)
1.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为PbTe，折射率5.6，厚度dA为472nm；所述B膜层的材料为SiO2，折射率1.45，厚度dB为1830nm；所述T层的材料为MoSe2层状二维材料，厚度dT为5 nm。
2.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为Ge，折射率4.2，厚度dA为631nm；所述B膜层的材料为ZnS，折射率2.2，厚度dB为1204nm；所述T层的材料为MoSe2层状二维材料，厚度dT为5 nm。
3.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为SiO2，折射率1.45，厚度dA为1830nm；所述B膜层的材料为PbTe，折射率5.6，厚度dB为472nm；所述T层的材料为MoSe2层状二维材料，厚度dT为5 nm。
4.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为ZnS，折射率2.2，厚度dA为1204nm；所述B膜层的材料为Ge，折射率4.2，厚度dB为631nm；所述T层的材料为MoSe2层状二维材料，厚度dT为5 nm。
5.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为Te，折射率4.8，厚度dA为552nm；所述B膜层的材料为TiO2，折射率2.2，厚度dB为1204nm；所述T层的材料为石墨烯，厚度dT为3 nm。
6.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为Te，折射率4.8，厚度dA为552；所述B膜层的材料为TiO2，折射率2.2，厚度dB为1204nm；所述T层的材料为MoSe2层状二维材料，厚度dT为6 nm。
7.一种利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构，其特征在于：其基本结构为B[AB]nT[BA]nB，其中，A、B膜层为固态材料层；膜层A与膜层B周期性交替构成层状结构，膜层排列系数n代表周期性交替排列的次数，取值2～4的整数；若A、B两膜层介质的折射率分别为nA、nB，单膜层厚度分别为dA、dB，则存在关系：nAdA≈nBdB≈2650nm，且nAdA+nBdB=5300nm；所述T为中心缺陷膜层，由半导体材料制成；
所述A膜层的材料为Te，折射率4.8，厚度dA为552nm；所述B膜层的材料为TiO2，折射率2.2，厚度dB为1204nm；所述T层的材料为WS2，厚度dT为10 nm。
8.权利要求1～7中任一项所述的利用对称中心缺陷含二维半导体材料的红外与激光兼容伪装膜系结构在作为/制备红外与激光兼容伪装材料中的应用。
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