撰稿|由课题组供稿
近日，哈尔滨工业大学李垚教授课题组提出了一种基于热致变色二氧化钒材料（VO2）的热辐射多级可重构演变器件。器件的红外辐射特征在温度变化时，可发生多层次可逆动态演变，展现出在动态热加密、动态热模拟以及多级动态热成像等领域的巨大应用前景。该研究近日被物理学权威期刊《Laser & Photonics Reviews》接收，题为“Kirigami ‐ inspired reconfigurable thermal mimetic device”。
在非极端温度下，热辐射的主要作用波段位于2.5-25 μm的中红外波段。作为三种基本的热交换方式之一，热辐射所带来的热效应与人类社会生活息息相关。近年来，借助超材料结构和一些智能材料对物体热辐射特征的时间、空间可重构调控在智能热管理、动态热伪装、红外探测等领域展现出巨大的应用前景和价值，受到了广泛的关注。但是，超材料结构制备工艺复杂，且往往无法实现对物体热辐射特征的多级控制，限制了其应用前景。而现有的通过VO2、石墨烯等智能材料实现对物体热辐射特征的可重构调控研究均需要外界能量输入以进行主动控制，无法实现环境变化时对物体热辐射特征的无源自适应可重构调控。
在中国剪纸裁剪工艺中，每一步裁剪过后的图案都会发生变化，最开始展现出的图案只是完整图案的一部分，随着裁剪进程的推进，剪纸图案的完整度逐渐提升，直至裁剪过程完成，完整图案得以最终显现。受这一工艺流程的启发，在VO2可对中红外热辐射进行动态调控的基础上，使用模板法与高能脉冲磁控溅射法结合的制备工艺构建水平尺度上不同W掺杂浓度的VO2图案（图1）。利用W掺杂对VO2薄膜相变温度显著的降低效应，实现温度变化时对器件红外辐射特征演变的时域调控，使器件展现出多级可重构演变的热辐射特征。
图1 a中国剪纸工艺的制备工艺示意图 b热辐射多级可重构器件制备流程示意图
首先对制备的三种W掺杂浓度的VO2薄膜（0、0.5at%、1at%）进行变温红外反射光谱表征，其红外发射率变化值均超过0.5，而相变温度随W掺杂浓度升高而显著降低。（图2a）利用哈尔滨工业大学校徽的图案制备模板，构建了三级演变的红外辐射可重构调控器件，在温度升高时，校徽的三个部分依次显形，降温时则依次消失。（图2b）
图2b器件各个部分之间没有空间上的交叠，不存在耦合，按照此方法进行更多层级或更加复杂变换过程的可重构热欺骗器件时，需要更大的器件面积以避免各部分之间可能存在的干扰，而这将导致成本提升，且将严重限制器件的应用多样性与潜力。针对此问题，开展了各部分存在叠层的器件结构设计与性能验证，发现通过调整非叠层区域的VO2层厚度可以降低叠层法制备VO2热辐射多级可重构器件带来的性能衰减，特别是当非叠层的VO2层厚度超过200nm时，叠层区域中增加的VO2厚度对器件的热欺骗性能没有影响，叠层法完全具有操作性和可行性。如图2c所示，利用W掺杂浓度为0和0.5at%的VO2薄膜制备的叠层可重构器件证明了叠层器件的红外辐射特征多级可重构演变能力，有望大幅降低器件体积，提升器件工作效率。最后，为满足复杂工况对器件局部红外辐射强度的不同需求，利用Au/HfO2/VO2的三层F-P腔结构实现器件局域的发射率调控，通过调控中间HfO2介质层厚度，展示了不同红外温度的红外图案，大幅提升了器件的应用潜力。（图2d）
图2 不同W掺杂浓度VO2薄膜的变温红外反射光谱与器件热辐射特征图演变图
核心创新点：
该研究首次提出了一种基于VO2的热辐射多级可重构演变器件，为可重构热辐射调控器件的进一步发展与应用提供了全新的思路与制备方向。
该工作由哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所李垚团队完成，李垚教授和豆书亮博士是该论文的通讯作者，博士研究生魏航为论文的第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、国家博士后基金委、黑龙江省博士后基金委以及中央高校基本科研经费的支持。
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