基于相变材料GST的可调控红外热辐射器

一切温度高于绝对零度的物体都会以辐射的形式向周围环境发射电磁波。物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比称为辐射率。例如，炭黑和人体皮肤都有很高的辐射率，而光滑的金属则有很低的辐射率。相比较于传统材料的单一而不可调的红外辐射性质，可调红外辐射率的材料在热光伏、红外成像与隐身、辐射降温等领域都有着极其重要的应用价值。

传统调控红外热辐射率的方法主要依赖于光学谐振腔、光子晶体、超材料等微纳结构。这些结构依赖于复杂的微纳加工工艺，并且一旦结构确定，将无法改变。这在很大程度上限制了它们的调控功效。因此，另一些可灵活调控的材料也开始逐渐被应用于红外辐射器件中。例如，通过加电压调控半导体的量子阱深度或石墨烯的费米能级，材料本身性质的改变会带来红外辐射率的变化；通过加热相变材料如氧化钒，使其在金属相和非金属相之间切换，也可以实现调控辐射率的目的。然而，这些方法都需要通过维持一定的电压或温度来维持物体的辐射率，因此从节能方面考虑并非理想的调控方案。

最近，浙江大学李强课题组在调控物体红外热辐射率方面取得了重要进展。他们利用相变合金材料GST（Ge2Sb2Te5）制作了红外热辐射器，实现了在无需持续的外界激励的情况下，可以有效地控制物体中红外波段的辐射率从0.2-1之间连续变化。相关研究成果发表在Light: Science & Applications [6, e16194 (2017)]上。

 图1.（a）GST材料在无定形态（左）和晶态（右）的原子排布示意图；（b）可调控红外辐射器件的结构示意图；（c）不同GST厚度的可调红外热辐射器在无定形态和晶态的辐射率曲线。