CN115291452A - 红外辐射特性可调的新型电致变色结构 - Google Patents

红外辐射特性可调的新型电致变色结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外辐射特性可调的新型电致变色结构,从上至下一共五层包括支撑层、工作电极、周期性低占空比微结构、凝胶电解质层以及对电极,其中周期性低占空比微结构设置于工作电极下侧作为凝胶电解质层中金属离子电沉积的模板。本发明提出的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,通过引入了一层周期性低占空比微结构作为模板,将可逆金属电沉积与微结构调控红外辐射特性结合,相比于传统的无机/有机材料电致变色结构,该结构红外辐射调控幅度更大,作用波段更宽,在实现红外辐射特性大幅度可调的前提下,还具备变化的结构色。

Description

红外辐射特性可调的新型电致变色结构
技术领域
本发明涉及红外辐射控制领域,具体涉及一种红外辐射特性可调的新型电致变色结构。
背景技术
随着现代红外侦察和制导技术的不断发展,武器装备在战场上面临着严重的被探测和攻击的威胁。传统的红外伪装隐身技术虽然适用于特定类型的背景环境,在一定程度上解决了目标的伪装问题,但难以满足武器装备在跨区域、多季节的伪装需求。自适应伪装技术是一种能根据背景情况变化,主动改变自身可探测特征以保持良好伪装效果的新型伪装技术,红外自适应伪装技术的目的是保持目标与背景的红外辐射特征在红外探测器中一致,该技术可有效提升目标在战场上的生存能力。
基于周期性微结构的红外辐射特性控制是利用电磁波与结构表面相互作用的基本原理,如表面等离子体激元(SPPs)、局域等离子体激元(LSPs)、谐振效应、禁带效应等,实现对特定波长辐射的吸收、反射和透射控制,从而控制周期性微结构表面的红外辐射特性。然而,传统微结构的结构型式和几何参数一旦确定就不能做出改变。这时候,通过激发微结构与电磁波之间的耦合作用来设计的静态微结构只能在某个位置/波段激发一个或多个电磁作用,显示出一种固定的红外辐射特性,不能满足红外自适应伪装的要求。因此,为了获得动态调谐红外辐射特性的效果,使用能响应外界刺激(电场、温度、机械和磁场等)的智能材料就显得尤为重要。其中,电致变色材料由于响应速度快以及实现方式简单等优点逐渐引起人们的关注,传统的电致变色材料通常采用导电聚合物和金属氧化物,存在红外发射率调控幅度小和调控波段窄等问题。针对这些问题,一些新型电致变色材料被提出,例如可逆金属电沉积,通过调节外加电压大小和方向,可以控制金属颗粒在透明电极上沉积和溶解,实现红外发射率大幅度的可逆调控。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其可以实现红外反射率从低到高的大幅度可逆变化,在此基础上还能实现小范围的结构色变化,能够应对不同类型的背景环境,提高目标的红外自适应伪装能力。
实现本发明目的的技术方案是:一种红外辐射特性可调的新型电致变色结构,从上至下包括:支撑层、工作电极、周期性低占空比微结构、凝胶电解质层和对电极;
所述周期性低占空比微结构作为金属颗粒电沉积的模板,控制金属沉积的形状,施加负电压金属离子被还原成金属颗粒沉积在微结构的凹槽/孔洞里,形成金属微结构;施加反向电压,沉积的金属颗粒被氧化成金属离子,金属微结构溶解,恢复到初始状态。
在一些示例中,所述周期性低占空比微结构选自以下一种:光栅、圆孔、方孔。
在一些示例中,所述周期性低占空比微结构周期P=1~3μm,占空比f≤0.2,高度H=40~80nm。
在一些示例中,所述周期性低占空比微结构在可见光和红外波段透过率均≥90%,选用的材料是二氧化硅。
在一些示例中,所述工作电极在可见光和红外波段透过率均≥90%,材料选自以下材料的组:铂、金以及它们的组合,工作电极的厚度为1~3nm。
在一些示例中,所述支撑层,作为工作电极的支撑,在可见光和红外波段透过率均≥90%,材料选自以下材料的组:氟化钡、氟化钙、氟化锂以及它们的组合。
在一些示例中,所述凝胶电解质在可见光波段透过率≥90%,在红外波段吸收率≥80%,凝胶电解质提供电沉积需要的金属阳离子,厚度≥250μm,凝胶电解质包括硝酸银,银离子作为电沉积/溶解的金属离子。
在一些示例中,所述对电极,在可见光波段透过率≥90%,材料选自以下材料的组:透明导电的氧化锡、氧化铟锡、氧化氟锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化铟锌、氧化铝锌、氧化镓锌以及它们的组合。
本发明具有的有益效果在于:(1)本发明突破了静态微结构的局限性,通过引入一层周期性低占空比微结构作为金属电沉积模板的方式,将可逆金属电沉积与微结构调控红外辐射特性结合,实现了动态微结构;(2)本发明设计的周期性低占空比微结构形式和尺寸合适,银沉积时可以保证整个结构呈现出红外高反射的状态,银溶解时,整个结构又因为红外高吸收的凝胶电解质呈现出红外低反射状态;(3)本发明通过控制外加电压的施加大小、时间和方向可以控制微结构的凹槽/孔洞中沉积银的厚度变化,从而动态调谐结构的红外辐射特性,实现红外反射率大幅度可逆变化,满足红外自适应伪装需求;(4)银沉积在周期性低占空比微结构的凹槽/孔洞中时还可以激发局域等离激元效应,呈现出明亮的结构色,增加沉积银厚度还能实现结构色深浅的转变;(5)本发明可以针对不同的背景环境,在保证微结构占空比f≤0.2的前提下(确保银沉积时红外呈现高反射特性),调整微结构的几何参数改变结构色,与背景颜色匹配;(6)本发明采用超薄贵金属膜作为工作电极,不同于传统的氧化铟锡电极在红外波段具有高反射率,它在红外波段具有高透过率,为红外反射率可调控提供了基础条件。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述,本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本申请实施例一起用于解释本申请,并不构成对本申请的限制。
图1是本发明的实施例1中新型电致变色结构没有沉积银时的主视结构示意图。
图2是本发明的实施例1中新型电致变色结构有沉积银时的主视结构示意图。
图3是本发明的实施例1中新型电致变色结构有沉积银时的三维结构示意图。
图4是本发明的实施例1中新型电致变色结构在沉积银前后的红外反射率对比图。
图5是本发明的实施例1中新型电致变色结构在不同沉积银厚度时的可见光反射特性和对应结构色变化。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明,但是,应当理解为,这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用,而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本发明实现红外辐射特性可调的新型电致变色结构包括:支撑层1、工作电极2、周期性低占空比微结构3、凝胶电解质层4、对电极5。
其中,所述支撑层1从上至下作为第一层,主要用于透射可见光和红外波段的入射光和作为第二层工作电极2的支撑基底,材料选自以下材料的组:氟化钡、氟化钙、氟化锂以及它们的组合。
所述工作电极2设置于第二层,厚度为1~3nm,主要用于导电和透射可见光和红外波段的入射光,同时对银颗粒有吸附作用,促进银颗粒沉积在微结构的凹槽/孔洞底部,材料选自以下材料的组:铂、金以及它们的组合。
所述周期性低占空比微结构3设置于第三层,主要用于控制银颗粒沉积的形状,作为银电沉积的模板使得第三层凝胶电解质中的银离子被还原成银颗粒时沉积在微结构的凹槽/孔洞中,形成银光栅/圆盘/方块。银结构的形成不仅可以起到红外高反膜的作用,还可以激发局域等离激元效应,呈现出特定的结构色。其中,周期性低占空比微结构选自以下一种:光栅、圆孔、方孔,微结构周期P=1~3μm,占空比f≤0.2,高度H=40~80nm,微结构在可见光和红外波段透过率均≥90%,选用的材料是二氧化硅。
所述凝胶电解质4设置于第四层,主要用于提供电沉积需要的金属阳离子和透射可见光波段的入射光以及吸收红外波段的入射光。当没有金属颗粒沉积时,从上面三层透射的红外波段的入射光被凝胶电解质吸收,结构呈现出低反射状态。凝胶电解质包括硝酸银,银离子作为电沉积/溶解的金属阳离子。
所述对电极5设置于第五层,主要用于导电和透射可见光波段的入射光,材料选自以下材料的组:透明导电的氧化锡、氧化铟锡、氧化氟锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化铟锌、氧化铝锌、氧化镓锌以及它们的组合。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
支撑层1的材料是氟化钡;工作电极2的材料是铂,厚度为1nm;周期性低占空比微结构2采用光栅结构,周期P=2.3μm,凸脊宽度W1=0.2μm,占空比f=W1/P=0.087,凹槽宽度W2=P-W1=2.1μm,光栅高度H=80nm;凝胶电解质层4通过在10ml二甲基亚砜中加入0.5mM硝酸银、2.5mM四丁基溴化铵、0.1mM氯化铜和10wt%的聚乙烯醇缩丁醛作为主体聚合物制备,厚度为500μm;对电极5的材料是氧化铟锡。
沉积银前后的结构示意图参见图1、2和3,通过时域有限差分法(FDTD)计算得到沉积银厚度h=0~40nm时结构的红外反射特性,参见图4。沉积银厚度h大于10nm后,沉积银厚度的改变对红外反射特性基本无影响,结构始终保持红外高反射状态。对比h=0nm和h=10nm时的反射特性,3~5μm波段平均反射率变化82.6%,8~14μm波段平均反射率变化64.2%,沉积银前后结构反射率调控幅度大,可以满足动态红外隐身的要求。
同时还计算了该结构在可见光波段的反射特性,参见图5,增加沉积银厚度h,反射峰位置基本不变,反射强度随着沉积厚度h的增加而增强,在颜色上呈现出从深绿色到浅绿色的转变,具备与林地背景相似的结构色。该结构在可见光波段可以从没沉积银时的透明色(h=0nm)转变为沉积银时的绿色(h≥10nm),实现透明到绿色系的可逆转变。
结合红外波段,对比h=0nm和h=10nm时两个波段的光谱特性,该结构可以在红外波段低反射可见光波段透明色和红外波段高反射可见光波段深绿色两个状态之间可逆转换。当沉积银厚度h大于10nm时,红外波段高反射特性保持不变,结构色能呈现出从深绿色到浅绿色的转变。

Claims (8)

1.一种红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,从上至下包括:支撑层、工作电极、周期性低占空比微结构、凝胶电解质层和对电极;
所述周期性低占空比微结构作为金属颗粒电沉积的模板,控制金属沉积的形状,施加负电压金属离子被还原成金属颗粒沉积在微结构的凹槽/孔洞里,形成金属微结构;施加反向电压,沉积的金属颗粒被氧化成金属离子,金属微结构溶解,恢复到初始状态。
2.根据权利要求1所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述周期性低占空比微结构选自以下一种:光栅、圆孔、方孔。
3.根据权利要求2所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述周期性低占空比微结构周期P=1~3μm,占空比f≤0.2,高度H=40~80nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述周期性低占空比微结构在可见光和红外波段透过率均≥90%,选用的材料是二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述工作电极在可见光和红外波段透过率均≥90%,材料选自以下材料的组:铂、金以及它们的组合,工作电极的厚度为1~3nm。
6.根据权利要求1所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述支撑层,作为工作电极的支撑,在可见光和红外波段透过率均≥90%,材料选自以下材料的组:氟化钡、氟化钙、氟化锂以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述凝胶电解质层在可见光波段透过率≥90%,在红外波段吸收率≥80%,凝胶电解质提供电沉积需要的金属阳离子,厚度≥250μm,凝胶电解质包括硝酸银,银离子作为电沉积/溶解的金属离子。
8.根据权利要求1所述的红外辐射特性可调的新型电致变色结构,其特征在于,所述对电极,在可见光波段透过率≥90%,材料选自以下材料的组:透明导电的氧化锡、氧化铟锡、氧化氟锡、氧化锑锡、氧化锌、氧化铟锌、氧化铝锌、氧化镓锌以及它们的组合。
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