[发明专利]一种基于GST相变材料的中红外发射率调制器件及方法

说明书

本发明公开了一种基于GST相变材料的中红外发射率调制器件及方法，包括金属层、相变材料GST介质层和衬底层；所述金属层设置有超构表面基元，所述超构表面基元呈周期性阵列结构分布在衬底层上，所述相变材料GST介质层设置在衬底层中的第一衬底层和第二衬底层之间。本发明结构设计简单，易于器件整体简单化和小型化，实现了波束调控器件的大宽带和简单化，且中红外发射率调控性能极佳。

技术领域

本发明属于热光伏技术领域，尤其是一种基于GST相变材料的中红外发射率调制器件及方法。

背景技术

人工电磁超构材料是通过人为的设计微纳结构的几何构型和排布方式来实现对特定频段的电磁波波前的任意调控，通过合理设计超构表面的基元结构，可以实现许多自然界材料无法实现的现象。用人工微结构调控波束传播已经引起众多研究学者的关注。超构表面仅仅通过亚波长尺寸厚度的单元结构可以实现波前幅值和相位的任意调控。超构表面为精准调控电磁波带来了全新的自由度，其在偏振转换、全息成像等方面具有广泛的应用价值。然而，结构的几何构型和尺寸直接决定了材料的特征响应频点，一旦制备成型之后材料的工作频点也随之固定，这大大的阻碍了人工电磁材料在光电器件领域的发展。

随着更多新兴应用的出现，例如变化环境中的动态热伪装、温度自适应辐射制冷以及航天器智能热控等，传统的静态红外发射率工程已经不能满足需求，发射率动态调制成为研究热点。红外发射率动态调制涂层是指在外场(如热、光、电等)刺激下，红外发射率可以发生可逆变化的材料。

在以往的大量研究中实现红外发射率多采用电致红外发射率调控和力致红外发射率调控的调控，多采用石墨烯实现调控，通过给器件增加电场，改变金属类材料的离子嵌入/脱出或者石墨烯的载流子浓度等方式实现对发射率的调控。目前，红外发射率调制的设计结构复杂，工作频段单一且效率低下。电致红外发射率调节需要在器件中加入电场，调控方式单一，在效率和实用性上受到限制，不利于器件小型化和集成化，且石墨烯工艺复杂、价格昂贵，还存在易脱落等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于GST相变材料的中红外发射率调制器件及方法，利用相变材料的相态转化的特性，实现了波束调控器件的大宽带和简单化。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于GST相变材料的中红外发射率调制器件，包括金属层、相变材料GST介质层和衬底层；

所述金属层设置有超构表面基元，所述超构表面基元呈周期性阵列结构分布在衬底层上，所述相变材料GST介质层设置在衬底层中的第一衬底层和第二衬底层之间。

进一步的，所述超构表面基元为由高纯金制成的工字型微纳结构。

进一步的，所述超构表面基元设置在第一衬底层上。

进一步的，所述第一衬底层和第二衬底层均为二氧化硅衬底层。

进一步的，所述相变材料GST介质层中的相变材料为Ge₃Sb₂Te₆或Ge₂Sb₂Te₅。

进一步的，所述相变材料GST介质层中相变材料在不同相态时折射率不同。

一种所述器件的基于GST相变材料的中红外发射率调制方法，包括：

电磁波入射到器件上时，会发生反射、吸收和透射三种现象；

控制GST相变材料相态的转化，随着GST相变材料的结晶度的变化，GST相变材料的介电常数连续渐进变化，器件的透射率和反射率发生变化，进而实现对红外发射率的调制。

进一步的，所述GST相变材料的介电常数利用Lorentz-Lorentz关系计算：