东南大学赵东亮/中科院上海硅酸盐所曹逊/香港大学尹晓波AS：基于VO2布儒斯特效应的超宽带定向可调热发射

Wiley

2025-06-24

研究背景

热辐射调控在辐射制冷、热伪装和红外信息加密等领域具有重要意义。然而，现有热辐射调控方法无法同时调控热辐射方向和振幅。近年来，纳米光子学的发展推动了光谱工程化的进步，单一调控热辐射的范围或振幅已经广泛实现。然而，受限于原理和结构设计的复杂性，热辐射方向调控的研究进展较为缓慢。研究表明，缺乏方向性的热辐射会降低热器件的能量利用效率。例如在辐射制冷应用中，非开阔方向的热发射可能会降低辐射冷却性能。现有定向热辐射方法主要有表面等离子体光栅结构、梯度介电常数近零（ENZ）材料、布儒斯特效应和几何光学方法等。然而，这些方法通常面临制造难度大、工作带宽窄以及自然材料种类受限等问题，这限制了其实际应用潜力。此外，上述大多数定向热辐射原理都具有偏振依赖的特性，尽管偏振依赖特性降低了器件整体的热辐射效率，但探究偏振依赖特性的定向热辐射的实际应用场景仍然至关重要。

文章概述

近日，由东南大学赵东亮、中科院上海硅酸盐所曹逊、香港大学尹晓波领导的科研团队提出了一种基于二氧化钒（VO₂）的超宽带定向可调热发射器（Ultrabroadband Directional Tunable Thermal Emitter, UDTTE），通过利用VO₂的金属-绝缘体相变特性和布儒斯特效应，UDTTE能够在3–20 μm波段内实现定向可调的热发射。具体的，该发射器能够在全向低发射和定向高发射状态之间进行切换。相变前，UDTTE在3–20 μm波段和所有入射角范围内的平均发射率低至0.07（P偏振）；而相变后，入射角小于73°时，UDTTE仍然保持0.33的低发射率，但在73°–83°的大入射角范围内的平均发射率增加至0.78（图3D）。此外，为了探究具有偏振依赖特性的定向热辐射的实际应用价值，研究人员在UDTTE的基础上利用物理掩膜方法用全向低发射的ITO层制备了用于呈现真实红外信息的左朝向箭头图案，用可见光不透/红外透明的Ge层制备了肉眼可见的右朝向箭头图案，左箭头被Ge层完全覆盖，这确保了加密的左朝向箭头图案对肉眼不可见（图4B）。研究人员通过信息加密实验演示了利用UDTTE进行信息误导性加密的演示。具体的，UDTTE所携带的真实红外信息（即朝左箭头图案）仅在高温、大视角和偏振器处于P偏振状态时才能被红外相机解密（图4C）。

这项研究展示了偏振依赖的定向热辐射的应用价值。此外，UDTTE 结构简单且同时适用于刚性和柔性基底，有望实现低成本和规模化的制造，有望推动高级信息安全和热伪装领域的发展。

图文导读

图 1. 超宽带定向可调热发射器（UDTTE）的原理。(A)全向低发射和定向高发射示意图。(B)绝缘态（I-state）VO₂的复折射率，插图示意了不同入射角的电磁波到达I-state VO₂薄膜后的传播情况。(C) 计算得到的 300 nm厚的I-state VO₂薄膜的角度相关透过率光谱，虚线表示计算的布儒斯特角。(D) 金属态（M-state） VO₂的复折射率，插图示意了不同入射角的电磁波到达M-state VO₂薄膜后的传播情况。(E)计算得到的300 nm厚的M-state VO₂薄膜的角度相关反射率光谱，虚线表示计算得到的伪布儒斯特角。

图2. 计算UDTTE在P偏振下的发射率光谱和功率损耗分布。(A)UDTTE的结构示意图。(B)VO₂层厚度与VO₂/Ag(200 nm)/石英(1 mm)结构在84^o入射角下的平均发射率之间的关系。(C)计算的UDTTE 相变前后的角度相关发射率光谱。(D)统计的UDTTE在3–20μm 波段范围内的平均发射率。(E)计算的波长为20μm的电磁波入射到UDTTE后的功率损耗分布。

图 3. UDTTE的制造与表征。在柔性(A)和刚性(B)基底上制造的UDTTE的光学照片。(C)UDTTE表面和截面SEM照片。(D)测量的UDTTE在3–20 μm波段内的角度相关发射率光谱（P偏振）。(E)UDTTE在加热和冷却过程中的电阻变化。(F)UDTTE与其它宽带定向热发射器的性能对比。

图 4. 通过UDTTE进行多级红外信息加密演示。(A)基于UDTTE进行信息误导性加密以及在可见光和红外相机下捕获的UDTTE图像的示意图。(B)基于UDTTE实现信息误导加密功能的实验流程示意图。(C)在不同温度、视角和偏振条件下，带有伪装箭头图案的UDTTE（每个子图的左侧区域）和高发射率箭头图案对照样（每个子图右侧区域）的红外照片。(D)UDTTE在不同温度、偏振态和视角下的相对辐射度。(E)集成热电冷却器(TEC)后的UDTTE的光学照片。(F)基于TEC的高低温切换设备在解密（顶部）和加密（底部）状态下的红外图像。(G)基于TEC的高低温切换设备在正/反向电压下的温度变化曲线。

结论

研究人员提出了一种基于 VO₂的布儒斯特效应的超宽带定向可调热发射器（UDTTE），其高发射状态仅在温度高于68 ℃、P偏振和特定入射角范围（73^o–83^o）内出现。多级信息加密实验表明，UDTTE 可协同温度、角度及偏振对信息进行多级加密。这项研究进一步提高了操纵热辐射的能力，为更复杂的光谱工程提供了新的见解，为高级信息安全和热伪装领域的发展提供了新思路。

期刊简介

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