AOM | 基于介电常数近零(Epsilon Near Zero, ENZ)材料的可见光-红外双波段伪装

随着先进检测技术朝着智能化方向发展，伪装需求日益凸显。近年来，研究重点聚焦于通过结构创新，将长波红外光谱中的红外定向热发射以及选择性全角热发射与可见光伪装相结合，所涉及的结构创新包括多层光子晶体、相变材料、等距激发光栅以及二维材料等。然而，截至目前，已发表的文献中尚未对红外定向热发射与可见光伪装的整合展开探索。
近日，哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体朱嘉琦教授团队、浙江大学光电科学与工程学院李强教授团队合作提出了一种梯度介电常数近零(ENZ)材料系统，该系统将红外定向热发射与可见光颜色控制相结合。所设计的多层薄膜结构能够在8-12 μm和12-16 μm波段实现角度选择性的p偏振辐射，同时通过控制硫化锌(ZnS)的厚度实现可见光颜色调制。这项工作成功将红外信号伪装和可见光光学伪装联系了起来


相关成果以Visible light and infrared camouflage based on Epsilon Near Zero materials为题发表在光学领域旗舰期刊《Advanced Optical Materials （AOM）》(Q1, IF=8.0)。团队2024级硕士生马小军与2020级博士生滕祥青为论文共同第一作者，通讯作者为哈工大航天学院朱嘉琦教授、SAM ZHANG教授、徐梁格、浙江大学光电科学与工程学院李强教授。

本文亮点

1. 设计了一种基于梯度介电常数近零(ENZ)材料的红外定向热辐射器，该器件促使p偏振红外热辐射在特定角度发射；

2. 利用介电间锗(Ge)形成法布里-珀罗谐振腔，该腔将多层介电常数近零(ENZ)薄膜相互连接起来，形成级联的Berreman模式，提高了工作带宽；

3. 利用硫化锌(ZnS)和锗(Ge)的差异调整结构颜色，实现可见光伪装与红外定向热辐射之间的兼容。通过优ZnS的厚度，结构颜色实现在较宽范围 (X:0.15-0.45，Y:0.15-0.45)内调节，满足典型伪装色要求。

图文解析

作者首先对热发射与可见光调控进行调研分析(图1)，确定了设计思路，即利用ENZ材料特性实现红外波段的定向热发射，同时对可见光波段进行结构色控制。通过模拟仿真设计了Al₂O₃/TiO₂/Ge/SiO₂/SiO和TiO₂/Ta₂O₅/Ge/Y₂O₃/MgO两种多层薄膜，整体厚度分别为1500 nm和1690 nm，以实现8-12 μm和12-16 μm定向热发射；选择ZnS和锗Ge作为用于可见光结构颜色调整和红外传输的材料。利用它们折射率的差异来调整结构颜色，以实现可见光伪装与红外定向热辐射之间的兼容性。

图1 可见光伪装与热发射控制研究现状及设计思路

作者开展了一系列理论计算和模拟优化(图2)以研究以实现8-12 μm和12-16 μm定向热发射并揭示Berreman模式在膜层中的作用。结果表明，通过设计的多层薄膜在长波红外波段具有良好的发射定向性，目标角度的发射率高达0.9，为非目标角度发射率的五倍，同时通过实验验证设计的热发射器发射率与模拟相吻合。同时，计算了薄膜的电场模分布和电阻损耗分布，揭示了定向热发射多层薄膜的设计原理。

图2 两种定向热发射多层薄膜的热发射

可将光调控层的设计与实验(图3)。作者通过ZnS和Ge层对可将光的反射和干涉进行颜色调控层的设计，结果表明，随着ZnS薄膜厚度从10 nm增加到100 nm，该结构所反射的可见光的波长逐渐变长，反射多种颜色的光，通过排列不同颜色的样品，可以实现可见光拼接隐身。

图3 可见光调控层的理论计算和实验验证

可见光和红外伪装应用效果展示(图4)。作者利用实物拍摄和测试等手段展示所设计的多层薄膜在伪装以及信息加密等方面的应用。定向热发射器具有在目标方向上辐射大量能量的能力，同时在其他方向上保持低能量损耗，并且可在不同温度下工作。此外，非极化情况下，测量的平均发射率(8-12 μm)与模拟结果高度吻合。即使发射率是极化平均的，发射器仍可以达到高定向发射率。

图4 可见光与红外伪装的应用效果

总结与展望

本研究开创性提出了一种基于梯度介电常数近零(ENZ)材料的结构，首次实现红外定向热发射与可见光颜色控制相结合。所设计的两种多层薄膜结构分别能够在8-12 μm和12-16 μm波段实现角度选择性的p偏振辐射，其发射角度可通过入射方向进行主动调控。同时，研究团队通过精确调控硫化锌(ZnS)介质层的厚度参数，成功实现了可见光波段的色彩动态调制。该工作突破了传统热辐射器件单波段调控的技术瓶颈，首次在单一架构中实现了红外定向辐射与可见光色彩的协同控制，填补了多物理场耦合热辐射调控领域的研究空白，为新一代多谱段智能伪装技术提供了创新性设计思路。

论文信息

Xiaojun Ma, Xiangqing Teng, Liangge Xu*, et al. Visible light and infrared camouflage based on Epsilon Near Zero materials. Advanced Optical Materials, (2025).  DOI:10.1002/adom.202403438