孟子晖，张连超，邱丽莉，薛敏，徐志斌

（北京理工大学化工与环境学院，北京100081）

基于光子晶体技术的红外隐身材料研究进展

孟子晖，张连超，邱丽莉，薛敏，徐志斌

（北京理工大学化工与环境学院，北京100081）

光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，其光子禁带对入射电磁波具有高反射率，能够有效改变目标的辐射特性，降低目标在红外波段的可探测性，是未来红外隐身技术的重点发展方向。为理清光子晶体红外隐身材料进一步发展所面临的问题和机遇，对光子晶体在红外辐射特性调控、光子禁带的展宽、多波段兼容技术、变发射率自适应隐身技术等方面的应用进展进行梳理和总结，并对新一代光子晶体红外隐身材料技术发展进行了展望，以期为光子晶体红外隐身材料对宽频隐身、多波段兼容、可逆的动态调整等的需求提供一定的解决思路。

兵器科学与技术；光子晶体；红外隐身；光子禁带的展宽；多波段兼容隐身；变发射率

0 引言

红外隐身技术是指通过降低和改变目标的红外辐射特性，从而控制目标的红外辐射特征，实现目标的低可探测性［1］。

热红外探测器工作波段主要在3～5μm和8～14μm，其中红外制导导弹工作在中红外波段［2］，而红外热像仪主要是利用目标与背景的红外辐射特性差异来获得目标的红外图像信息，工作波段为8～14μm［3］.红外探测器主要通过目标自身的红外辐射来发现和识别目标。根据这个特点，可采用改变己方的红外辐射波段至对方红外探测器的工作波段之外，使对方的红外探测器探测不到己方的红外辐射。或者通过改变目标的红外辐射分布状态，使目标与背景的红外辐射分布状态相协调，从而使目标的红外图像成为整个背景红外辐射图像的一部分。利用禁带处于红外探测器工作波段的光子晶体可以实现这些目的。

1 光子晶体基本特性

光子晶体是超材料的一种，它是指介电常数（或折射率）在空间周期性分布而具有光子禁带的特殊材料。在光子禁带中，光子态密度消失，导致电磁波无法传播；而在光子通带内，光子态密度出现振荡，并导致光子晶体中出现透射共振。通过对构成光子晶体的材料组成、有效折射率、晶格参数等进行合理的设计，可以人为地制备出具有特定波段光子禁带的光子晶体。在禁带中心处于可见光波段的光子晶体材料中引入刺激响应性材料，可以实现材料的结构色肉眼可辨的变化［4-7］，而禁带处于红外波段的光子晶体材料则可以实现对红外辐射特性的抑制和改变，将其与响应性材料结合能够得到对外界刺激做出适应性响应的智能材料。

光子晶体的另一个重要特性是光子局域［8］。若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，可以通过在光子晶体中引入缺陷，实现相应波段辐射特性的增强。

光子晶体能够在禁带内实现对入射电磁波的高反射，可以操纵内部光源的红外发射特性，进而抑制相应波段的红外辐射能量，使红外探测装置探测不到。光子晶体能够改变目标的红外辐射特性，通过合理的设计，使目标的红外辐射特征与背景相近，从而实现红外波段隐身。而变折射率的光子晶体红外隐身材料甚至能够通过模块化设计，动态地将目标的红外辐射特征与所在环境相匹配，能够极大地提高动态隐身效果和实用化的进程。

由于光子晶体的这些独特性质，使其在红外辐射特性的调控、宽频隐身、自适应隐身方面具有普通红外隐身材料难以比拟的优势，本文将从以上几个方面介绍国内外光子晶体红外隐身材料的研究进展。

2 光子晶体红外隐身材料的研究进展

2.1光子晶体应用于红外辐射特性的调控

自从Yablonovitch［8］和John［9］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［10］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3.5～4.5μm的红外透过率几乎为0，对于工作波段在2.5～6μm的探测器具有一定的隐身效果。Djuric等［10］又通过用同厚度受体缺陷SiO2代替第5层Si，使波长3.4μm出现缺陷态，实现了该波长的红外高透过率。

1998年，Fink等［11］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10～15μm波长范围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，Lin等［12］利用硅棒层层堆叠排列制备三维光子晶体，实现了10～16μm波段的热辐射抑制，同时加强了5～9μm波段的热辐射能量（见图1）。

图1　三维硅光子晶体的热辐射谱图Fig.1 Measured thermal emission spectra of 3D photonic crystal（PC）samples

2002年，美国Sandia和Ames实验室的成员Fleming等［13］在已经制备好的多晶硅/SiO2结构上选择性地移除Si并通过化学气相沉积（CVD）回填钨，得到了在远红外（8～20μm）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（见图2和图3）。图2中数字为硅棒层数，L为硅棒之间的距离。

图2　三维钨光子晶体的扫描电镜图Fig.2 SEM graph of 3D tungsten photonic crystal

图3　三维钨光子晶体的反射谱图Fig.3 Measured reflectance spectra of 3D tungsten photonic crystal

2005年，Enoch等［14］分别采用厚度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7～12μm红外波段表现出较好的热辐射控制性。

2006年，Chan等［15］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Louisiana State University的一个研究小组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（3～5μm或8～12μm）转换至光伏电池工作波段的辐射（1～2μm），并采用光伏或热光伏电池将该部分辐射能转化为电能，可以降低消耗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，Arpin等［16］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HfB2，实现了对2～5μm红外发射率的抑制，热稳定性高达1400℃（见图4和图5）。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。

图4　HfB2-反蛋白石结构的断面扫描电镜图Fig.4 Fracture cross-section micrograph of HfB2-inverse colloidal crystal

图5　钨包覆SiO2模板的反射和辐射光谱Fig.5 Measured emissivity and reflectance of annealed tungsten photonic crystal

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。Takuya等［17］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（见图6和图7）。调控速度高达几百千赫兹甚至超过10MHz，比常规的温度控制方法快了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。

2.2光子晶体禁带的展宽

光子晶体宽的禁带是实现相应波段低的发射率、从而降低红外可探测性的必备条件。因此在如何增加禁带宽度方面，研究者们投入了大量的研究，并取得了一系列的进展。

最简单的方法是在一维二元光子晶体中，增加折射率比来增大禁带，选取折射率相差大的高低折射率材料来构造一维光子晶体有利于宽禁带的产生［18］。

图6　热辐射控制器件示意图Fig.6 Model of device used for thermal radiation control

图7　0～10V反向电压下的透射光谱Fig.7 Measured transmittance spectra as a function of reverse bias at 0～10 V

图8　不同无序度的一维二元光子晶体反射光谱变化（垂直入射）Fig.8 Reflectance spectra of different disordered 1D binary photonic crystals（normal incidence）

在光子晶体结构中引入无序成分也可以加强禁带宽度。2000年，Li等［19］设计出无序一维二元光子晶体结构，实现了0.5～4ω0（ω0为波数，即频率单元，ω0=2π/λ0，λ0为晶体光学厚度，设一维二元光子晶体具有相同的光学厚度）的宽禁带，他利用周期结构引起的布拉格反射和无序结构引起的光局域相结合极大地扩展光子禁带。在保持电磁波波长不变的情况下，通过将介质层厚度以高斯分布的形式进行选取，在不同的无序度下得到了不同程度的光子禁带移动和拓展（见图8）。图8中，D为无序度。

将两种或以上的一维光子晶体构造异质结构，可以极大地拓展禁带宽度。2002年，Wang等［20］选取两个禁带可以彼此交叠的一维光子晶体，实现了光子晶体1和光子晶体2的合并拓宽（见图9）。

在普通一维二元光子晶体结构中引入超导体、等离子体等新材料构造一维三元光子晶体，是拓展禁带宽度的新思路。2011年，Dai等［21］在三元光子晶体中使用超导体材料，极大地拓宽了禁带，而且借助超导体渗透长度的角度依赖性，实现了禁带的温度调控。同年，Kong等［22］在一维新型三元光子晶体结构中引入等离子体来实现禁带的拓宽。

受三元光子晶体和异质结构光子晶体的启发，2012年，Hung等［23］通过掺杂金属层或构建异质结构来拓宽半导体光子晶体的红外禁带，每周期由金属-电介质-半导体构成，通过Si的掺杂浓度来控制Si的折射率，层叠两种或更多的普通二元光子晶体结构成异质结构，从而得到极宽的光子禁带（见图10和图11）。图10中，d1为掺杂金属层厚度。

2.3多波段隐身兼容

随着红外制导技术、雷达制导技术和可见光及激光制导技术等多频段、高精度制导技术的不断成熟，要求隐身材料的研究也必须向着多波段兼容隐身的方向发展。

2000年，Blanco等［24］用800nmSiO2制备光子晶体，以此为模板，去除SiO2后化学气相沉积填充Si，大面积制备了具有双波段完全光子禁带的三维硅基光子晶体（见图12）。

2001年，Temelkuran等［25］研究全向反射镜制备的一维光子晶体的两个带隙，首次在4.5～5.5μm和8～12μm两个红外大气窗口上对任意偏振态实现了全角度反射。

2006年，Aliev等［26］使用硫系玻璃AMTIR-1填充SiO2蛋白石晶体除去模板制成反蛋白石光子晶体，通过适当地控制晶格参数和填充率，可以使该结构光子晶体在中红外和远红外波段产生完全光子带隙。其样品在3～5μm和8～12μm两个红外大气窗口波段的反射率可达90%以上。该结构在保持红外透明介质本身的低吸收特性的同时，利用光子晶体结构对禁带光波的高反射特性有效阻隔来自目标的红外辐射信号，实现近红外与远红外隐身兼容。

图9　光子晶体的透射光谱图Fig.9 Transmittance spectra of photonic crystals

图10　不同金属层厚度对应的禁带宽度计算图Fig.10 Calculated PBGs of a binary PC corresponding to metal layers with different thichnesses

图11　3种一维光子晶体构成的异质结构的反射光谱图Fig.11 Calculated reflectance spectra of heterostructure PC of PC1+PC2+PC3

图12　硅反蛋白石的表面扫描电镜图和反射谱图Fig.12 SEM image and reflectance spectra of silicon inverse opal

2008年，赵大鹏等［27］采用异质结构方法设计了由碲和聚乙烯材料组成的中、远红外双波段光子晶体，与Temelkuran等［25］设计的光子晶体相比具有更宽的光子禁带，在3.4～5.3μm和7.9～12.2μm两个波段实现了对任意偏振态的全反射，相对带宽分别达到了49.6%和42.3%.并且通过进一步改进材料的填充比，将全向反射的波段拓展为3.4～5.4μm和8～12.5μm，相对带宽分别达到49.8%和43.1%，完全能够适应中、远红外隐身兼容。

2011年，高永芳等［28］通过构造一维异质结构光子晶体，实现了光子带隙的展宽，在2.91～5.12μm和7.62～12.29μm波段的光谱反射率大于95%（见图13），较好地满足了中、远红外双波段兼容伪装的要求。

图13　异质结构光子晶体的反射光谱Fig.13 Reflectance spectra of heterostructure photonic crystal

2012年，高永芳等［29］通过“光谱挖空”的方法利用薄膜光学的特征矩阵研究设计出一维掺杂光子晶体，该光子晶体可实现远红外和10.6μm激光的兼容隐身（见图14）。同年，Zhao等［30］使用PbTe和Na3AlF6通过交替镀膜设计出从近红外到远红外波段高反射且在两个激光波段高透过的一维双缺陷膜的光子晶体，该结构在1～5μm和8～14μm两个波段的反射率可达99%以上，并且对波长为1.06μm和10.6μm激光的透过率可达96%.

图14　掺杂光子晶体的反射谱Fig.14 Reflectance spectra of doped photonic crystal

隐身兼容技术最重要的研究主要集中在雷达波段和红外波段的兼容隐身。由于在雷达波段，吸收材料需要满足高吸收和低反射，而在红外波段，却需要材料满足低的发射率。因此，在雷达-红外双波段同时具备高吸收和低发射特性的材料是很难实现的，而将禁带处于红外波段的光子晶体和雷达吸波材料结合起来，可以实现雷达-红外的兼容隐身。

2014年，Wang等［31］利用一维双异质光子晶体结构制备了雷达-红外隐身材料，实现了材料在3～5μm和8～14μm的极高反射率，在3～5μm和8～14μm的红外辐射强度分别为0.073和0.042（见图15和图16），而且由于组成材料在雷达波段的高的透射性，能够同时实现雷达兼容隐身。

图15　双异质结构的反射光谱图Fig.15 Reflectance spectra of double heterostructure

图16　Ge/ZnS异质结构光子晶体在雷达波段的透射光谱图Fig.16 Transmittance spectra of Ge/ZnS double heterostructure photonic crystal in radar waveband

2.4自适应红外隐身

自适应红外隐身技术又称智能红外隐身技术，是指通过控制和调节变温或变发射率材料构成的敏感单元，使被探测目标的红外辐射特性能够随环境自动发生相应调整，实现目标与环境红外辐射特性的统一，消除目标与背景的红外探测特性差异，从而得以伪装掩护和隐身。

变温材料构成的自适应隐身器件，整体灵敏度差，难以满足实用的要求。单纯的变发射率材料构成的隐身器件，光谱选择性及其发射率可调节的范围有限。而将变发射率材料与光子晶体结构结合起来构建自适应隐身系统，不但灵敏度更高，而且能够在更大的波段范围内实现对物体红外辐射特征的动态调制。因此，变发射率材料构成的光子晶体自适应隐身器件是自适应红外隐身的未来发展方向。

2004年，Larsson等［32］用磁控溅射技术制备薄膜电致变色器件来实现红外辐射的调制。该器件以WO3为主电致变色层，ZrO2作为离子导体，NiVxOyHz作为补充电致变色层，基底为ITO玻璃，通过外电压可以实现相关红外波段发射率的调制。

2006年，Ashrit等［33］研制了一种基于WO3反蛋白石结构光子晶体的电致变色器件。通过将光子晶体结构的禁带特性与WO3介质的电致变色特性相结合，使器件在相应波段的反射光谱和发射率可以通过电压在一定范围内调节，增大了WO3介质的光谱选择性调节范围和调节幅度（见图17～图19）。

图17　光子晶体电致变色器件示意图Fig.17 Schematic diagram of EC-PC device

图18　4V下不同时间的透射谱图Fig.18 Transmission spectra of ITO/WO3inverse opal as a function of time at voltage bias of+4 V

图19　不同电压下的透射谱图Fig.19 Transmission spectra at normal incidence of cell as a function of negative voltage

图20　不同电压下光子晶体材料的反射光谱Fig.20 Reflectance spectra of inverse opal at different voltages

2008年，Puzzo等［34］将具有电活性的聚合物填充于SiO2光子晶体模板中，然后用HF去除模板，并将膜连结在ITO膜上，得到了一种反射率受电场调控的聚合物膜材料。施加不同的电压，该材料可呈现不同的颜色（见图20和图21）。鉴于该材料光学性能具有极大的调节范围，如果将其扩展到红外波段，预计可实现不错的适应性隐身性能。

2013年，Long等［35］用鱿鱼皮肤里含有反光蛋白质的血小板来制备光子晶体结构，通过醋酸溶液的刺激，引起血小板的厚度和间距变化，从而能够使皮肤反射不同的光线，调节范围达400nm以上，覆盖了整个可见光波段，甚至红外波段（见图22和图23）。这种血小板膜被醋酸蒸过后，可以实现表面反射的红外线与其背景反射的红外线完全一致，从而实现红外隐身。研究者将反光蛋白质融入到一种有弹性、轻薄、背后可粘贴的聚合物片上（类似贴纸），通过拉伸贴纸以激活反光蛋白质，从而替代乙酸蒸汽。士兵们将贴纸粘贴在衣服、装备等任何表面，就可以在红外线的世界里“融入”背景中，躲过红外探测设备的“抓捕”。目前这项研究还不成熟，材料只能够反射可见光和近距离红外线。研究人员还需要增加材料的反射辉度，并且让多张贴纸可以在同一时间以同样的方式进行变化。

图23　自适应隐身器件的示意图Fig.23 Schematic diagram of adaptive stealth device

2015年，Hurtado［36］在微米中空管构成的光子晶体中合成热可控的VO2纳米颗粒得到了中红外波段温度可逆调节的自适应材料。通过温度变化调控VO2的相变和折射率，从而调控光子禁带的位置和宽度（见图24和图25）。

同年，Chernow等［37］用八面体晶胞单元的聚合物纳米晶格制备了机械可调的三维光子晶体材料，实现了光谱特性在近红外和中红外波段大范围的可调节性。该材料在中红外波段有一个强的反射峰，在单轴向压力下反射峰的位置会可逆地大范围移动，当对材料施加40%的压缩量时，伪禁带的位置就会从7.3μm移动到5.1μm（见图26和图27）。

图24　不同温度下该复合结构的红外透射谱图Fig.24 Transmittance spectra of composite VO2photonic crystal at different temperatures

图25　复合结构的构造图Fig.25 Structural map of composite VO2photonic crystal

图26　光子晶体结构在不同压缩率下的形变图Fig.26 SEM images of photonic crystal structure under different effective strains

3 总结和展望

本文归纳了光子晶体应用于红外隐身领域的研究进展和最新发展动态，并针对新一代光子晶体红外隐身材料对宽范围的高反射、多波段兼容、可逆的动态调整等需求，提出了相应的解决思路。

图27　不同压缩率对应的反射光谱图Fig.27 Normalized reflection spectra of photonic crystal structure under increasing degrees of effective strain

1）为了获得宽范围、高反射特性的光子晶体红外隐身材料，除了选取折射率比大的组合材料之外，还可以通过引入无序结构或半导体、等离子体等新材料来构造三元光子晶体结构。将两种或两种以上的光子晶体相结合，构建单异质结构、双异质结构无疑是最简单直接也最行之有效的方法。

2）对于实现多波段兼容隐身，首先要考虑两种隐身手段之间的关联和共通点。对于红外与激光兼容的隐身材料，除了光子晶体相应波段的高反射率性能之外，还要考虑通过掺杂或“挖空”等手段赋予光子晶体某一波长高的透射率来实现二者兼容隐身。对于红外与雷达的兼容隐身技术，材料本身对雷达波的吸收性能是首先要考虑的问题，采取合适的雷达波段高透射率的材料来构建光子晶体是最基本的思路之一，也是当前研究的热点。

3）能够动态调整目标的红外辐射特征的自适应隐身技术，是未来红外隐身的发展趋势和主要研究方向。随着新材料的发展和新型制备技术的出现，受化学刺激、温度、电场、磁场等外界作用而改变发射率的材料，必然在自适应隐身研究中扮演更重要的角色。在最新的研究动态中，我们也惊喜地发现，受自然界中纳米尺寸结构色（如鱿鱼的虹细胞结构）的启发，利用仿生学制备的自适应红外隐身材料，往往比微制造等复杂技术制备的材料更有效更能满足实用的需要。

4）虽然当前隐身材料领域仍然以涂层材料等传统隐身手段为主，但随着未来探测手段不断多样化和精确化，对隐身材料提出更高更多的要求，光子晶体以其结构的可设计性、动态的可调性等优异特点，在未来的红外隐身发展过程中，必然占据更重要的位置。

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Research Progress on Photonic Crystal Infrared Stealth Materials Technology

MENG Zi-hui，ZHANG Lian-chao，QIU Li-li，XUE min，XU Zhi-bin
（School of Chemical Engineering and Environment，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Photonic crystals are a kind of artificial functional materials with potential and promising application in the infrared stealth technology，of which photonic band gap has high reflectivity to electromagnetic waves.The photonic crystals can alter the radiation characteristics of targets and protect the targets from being detected in infrared region.In order to clarify the problems and opportunities in the further development of photonic crystal and provide some proposals for the requirements of infrared stealth materials for wide band，multi band compatibility and reversible dynamic adjustment.The applications of photonic crystal in the regulation of infrared radiation characteristics，the broadening of photonic band gap，the multi band compatible technology and the adaptive stealth technology with variable emissivity are reviewed and summarized.Finally，the new generation of photonic crystal infrared stealth materials is prospected.

ordnance science and technology；photonic crystal；infrared stealth；broadening of photonic band gap；multi-band compatible stealth；variable emissivity

TJ765.5

A

1000-1093（2016）08-1543-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.029

2016-02-02

国家自然科学基金项目（U1530141、21375009）

孟子晖（1970—），男，教授，博士生导师。E-mail:m_zihui@yahoo.com；邱丽莉（1982—），女，讲师。E-mail:qiulili@bit.edu.cn