光子晶体应用于红外辐射特性的调控
日期：2019-05-16 17:36
图5-2 三维硅光子晶体的热辐射谱
自从 Yablonovitch和John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(隐身材料)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3.5~4.5m的红外透过率几乎为0,对于工作波段在2.5~6m的探测器具有一定的隐身效果。 Djuric等又通过用同厚度受体缺陷SiO2代替第5层Si,使波长3.4m出现缺陷态,实现了该波长的红外高透过率。
1998年,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10~15gm波长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,利用硅棒层层堆叠排列制备三维光子晶体,实现了10~16gm波段的热辐射抑制,同时加强了5~91m波段的热辐射能量(见图5-2)。
2002年,美国 Sandia和Ames实验室的成员在已经制备好的多晶硅/sO2L结构上选择性地移除S并通过化学气相沉积(CVD)回填钨,得到了在远红外(8-20m)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ON子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。
2005年,采用厚度2mm、直径15mm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7~12m红外波段表现出较好的热辐射控制性。
2006年,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1~10μm理想的热辐射特性。
2007年,美国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(3~5m或8-12m)转换至光伏电池工作波段的辐射(1~21m),并采用光伏或热光伏电池将该部分辐射能转化为电能,可以在降低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,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HB2,实现了对2~5m红外发射率的抑制,热稳定性高达1400℃。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。
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。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。调控速度高达几百千赫兹甚至超过10MH2,比常规的温度控制方法块了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。
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