用于红外隐身应用的高度可拉伸微/纳米皱纹结构

背景

红外隐身技术已广泛应用于航天器部件[1]、伪装平台[2]、防护服[3]、容器包装[4]等领域[5,6,7]。特别适用于军事安全和军事监视领域，可以保护飞机不被发现。

近年来，已经研究了许多静态反射电磁光谱红外区域辐射的材料 [8,9,10]。魏等人。 [11]通过调制光生载流子掺杂提出了一种基于超材料的红外反射方法。科卡巴斯等人。 [12] 展示了可以控制以调整微波反射、传输和吸收的活性表面结构。然而，这种新型材料受到工艺复杂、生产超低、成本高的限制。

为了优化红外隐身结构的适应性，已经设计和研究了许多不同的自适应红外材料和结构 [13,14,15]。瓦伦丁等人。 [16] 展示了一种基于超材料的红外反射方法，它通过时空控制用紫外光调制的超材料的发射率。然而，这种结构是由紫外线、高温和大温度梯度驱动的。 Gorodetsky 等人。 [17]开发了一种基于皱纹结构的自适应红外反射结构，具有工作温度低、光谱范围可调、响应快、自主运行等特点。然而，这种结构必须由3 kV左右的高压驱动，这在普通领域是难以实现的，尤其是飞机。

在这项研究中，设计并制造了一种新型的可拉伸三角形皱纹结构作为自适应红外隐身结构。该结构的红外反射率已调至5%，使用红外反射材料制作的简单材料消失，然后在室温下简单机械驱动下以三角形皱纹结构的变形显示。

方法

聚二甲基硅氧烷 (PDMS) (10:1) 膜（Sylgard 184，道康宁）通过控制旋转速度在 500 μm 厚度的硅片上旋涂制备，并在旋转后立即在低于 80°C 的温度下固化2 小时 [18]。

根据标准微制造技术，通过电子束蒸发将银膜和二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2）交替层沉积在PDMS基板上。

我们结构的总反射率、漫反射率和总透射率用 Frontier 变换红外光谱仪 (Perkin Elmer) 表征。测量是在 2 至 14 微米的波长范围内以 12° 的照明角进行的，并参考漫射金标准 (Pike Technologies)。

三角皱纹结构的形貌通过激光扫描显微镜（型号：LEXT OLS4100；Co.：Olympus）和原子力显微镜（AFM）（Model：Multimode8；Co.：Bruker）表征。红外图片和视频是用热像仪（FOTRIC 226S）获得的温度和有效光谱范围从8μm到14μm。

结果与讨论

红外隐身机制

红外反射结构的示意图如图 1 所示。我们研究了基于三角形结构的红外反射特性。红外隐身模型采用Zemax软件进行仿真。当光入射在平面结构上时，最多的入射光会根据反射定律沿着确定的方向反射，如图 1a 所示。当光线入射到三角形结构上时，大部分光线落在三角形陷阱结构内，只有少量光线可以反射出三角形结构，如图 1b 所示。也就是说，当红外光入射到三角形结构中时，大部分红外光将无法利用光的反射机制被检测到。这种三角形结构对于红外探测技术来说是不可见的。

红外机制模型。 一 光入射在平面膜上； b 在三角形结构上

三角形皱纹结构的制作

如图 2 所示，三角形皱纹结构是使用 MEMS 技术制造的，这在我们之前的工作中已有报道[19]。首先，正性光刻胶以 3000 rad/min 的速度旋涂在二氧化硅晶片上，并在 105°C 下烘烤 90 秒。其次，晶片暴露于 135 mJ/cm ² 用掩模对准器在 115°C 下烘烤 120 秒以形成强交联。在晶片逐渐冷却后，将该结构浸入正显影剂中（40 秒）。第三，使用缓冲氧化物蚀刻蚀刻 SiO2，使用 15 wt% TMAH + 17 vol% 异丙醇蚀刻 Si（22 分钟）。第四，通过氢氟酸去除SiO2层。然后，获得了三角形状结构，如图 2a [6] 所示。第五，将液态 PDMS 弹性体和固化剂以 10:1 的体积比混合制备 PDMS 模具，将其浇注到 Si 模具上，在 80°C 下热固化 1.5 小时，在模具上获得三角形结构。 PDMS 基板的表面形成 PDMS 模具。然后，在 150 W 的氧等离子体处理 15 秒下，在 PDMS 基板的表面上形成了 SiOx 层和亲水基团（例如，-OH）。然后将样品浸入 SDS 溶液中 15 秒以引入 -SO3 ^- 三角形皱纹 PDMS 结构表面的基团。该过程可以在 PDMS 与贵金属（Ag、Au）和氧化物材料（SiO2、TiO2）之间引入亲水官能团的缩合反应，这在我们之前的工作中已有详细报道 [20,21,22]。最后，通过使用电子束蒸发技术在 PDMS 模具表面涂覆金属或氧化物，获得金属或氧化物三角形皱纹结构，这在我们之前的工作中已有详细报道 [20,21,22]。

聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基材上三角形皱纹结构的制备过程和形态表征。 一 Ag (SiO2/TiO2) 嵌入三角形皱纹结构的制备过程。 b 光学图像。 c 原子力显微镜图像。 d 样品的周期性均匀性

如图2b-d所示，三角形皱纹结构的周期性是均匀的，原子力显微镜测试的样品整个表面的周期性约为（10 ± 0.1）μm。样品尺寸约为 4mm × 4mm。通过调整掩模结构的尺寸和蚀刻参数来实现所需的周期性，这可以按照我们之前的研究[19]中的介绍进行计算。

红外隐身测试

在我们的工作中，首先制造了金属三角形皱纹结构来研究红外反射效果。由于具有高延展性、优良的弯曲性以及相对较低的硬度和成本，因此选择金属Ag材料来制造红外反射膜。按照图 2a 的工艺制作了 Ag 三角形皱纹结构。

在机械驱动之前，当一束光入射到三角形红外反射结构的尖端时（图 3a），大部分红外线（红线）已被尖端（蓝线）散射，只有少量光线可以反射（绿线）到检测器中。而在机械驱动后，三角形结构的表面可以逐渐拉伸成平面，如图 3b 所示。在这种情况下，大部分入射光会反射到检测器中。

宽带反射率的机械调制。 一 机械驱动前银三角皱纹结构的表面形貌变化和红外光反射。 b 机械驱动后。 c 机械驱动前 Ag 三角形皱纹结构的红外反射光谱。显示了总反射率（红色轨迹）及其反射（黑色轨迹）和漫反射（蓝色轨迹）分量。 d 机械驱动后。 e Ag 三角形皱纹结构的全反射、反射和漫反射峰值反射图作为施加的长度应变的函数。 f 拉伸/释放超过500次循环的Ag三角皱纹结构的稳定性测试

相应的红外光谱在我们的实验中证明了上述结果，如图3c所示。作为未驱动的三角形皱纹结构，它具有46 ± 2％的高平均总反射率，<13％的低平均反射率和33 ± 2％的中等平均漫射光。因此，总反射率的特征是弱平均反射率为 13 ± 2%，主要平均漫反射分量为 33 ± 2%，比率为 ~ 0.4。在机械拉伸三角形皱纹结构后（如图 3d 所示），相应的红外光谱的平均总反射率增加了 97 ± 1%，平均反射率高为 89 ± 1%，平均全漫射光低8 ± 1%。

从实验结果来看，随着三角形 Ag 皱纹结构的拉伸，反射率从 13% 增加到 89%。此外，漫射光也从 33% 减少到 8%。原因是三角形的Ag皱纹结构被拉伸成Ag平面膜。入射光可以按照反射定律从平面膜沿一定角度反射。由于平面膜的高反射率，理论上总反射率可达100%，漫射光量很小。考虑到银膜表面粗糙，反射会减少（89%），漫射光会增加（8%）。

同时，与皱纹结构相比，平面膜的漫射光从33%减少到8%。原因是三角形 Ag 皱纹结构的粗糙度约为 ~ 1 μm，取决于皱纹结构的高度。但是对于 Ag 平面膜，粗糙度约为 20 nm 或更小，这是 Ag 膜的粗糙度。因此，通过优化电子束蒸发工艺参数可以进一步降低漫射光。

在这种情况下，总反射率具有更大的平均反射率 89 ± 1% 和较小的平均漫射光分量 8 ± 1%，比率为 ~ 11。因此，反射与漫射比约为基于三角形皱纹结构增加一个数量级。

一般来说，三角形皱纹结构在宽带波长下的总反射率作为应变的函数而增加（图 3e）。随着应变的增加，反射率增加，但漫射减少，因为将三角形皱纹银膜拉伸至平坦。红外反射特性在重复机械驱动下是完全可逆的，这有助于皱纹结构的高度拉伸特性。并且在 500 次循环后仅观察到轻微的性能下降（图 3f）。因此，我们的三角形皱纹结构的机械驱动引起了一种变化，该变化可以可逆地动态调制短波长到长波长红外区域内的宽带反射率。

总的来说，与宽带红外技术相比，窄红外波段具有更高的信噪比，更易于红外目标检测、识别和跟踪应用的溯源。

因此，为了提高红外目标检测、识别和跟踪技术的精度，研究了三角形皱纹结构的窄带红外反射效果，如图4所示。

窄带反射率的机械调制。 一 机械驱动前 TiO2/SiO2 布拉格堆叠改性结构的表面形貌变化和红外光反射。 b 机械驱动后。 c 机械驱动前 TiO2/SiO2 布拉格堆栈改性结构的红外反射光谱，峰值反射强度为 5μm。显示了总反射率（红色轨迹）及其反射（黑色轨迹）和漫反射（蓝色轨迹）分量。 d 机械驱动后。 e 三个未驱动设备的红外光谱设计为具有 3 μm（红色轨迹）、4 μm（蓝色轨迹）和 5 μm（黑色轨迹）的峰值反射波长。 f TiO2/SiO2 Bragg 堆叠改性结构的全反射、反射和漫反射峰反射率随外加长度应变的变化图

为了获得窄带红外反射峰，交替的 TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2 层的厚度为 λpeak/(4 × n 二氧化钛 ) 和 λpeak/(4 × n 二氧化硅 ) 已设计。这些结构是根据标准光刻协议制造的，如图 2a 所示。由 Angstrom Engineering EvoVac 系统生产的 TiO2/SiO2 布拉格叠层在 5μm 处具有峰值反射强度，SiO2 厚度为 0.933μm，TiO2 厚度为 0.543μm。窄带红外反射结构由两层 SiO2 和三层 TiO2 组成。基于三角皱纹结构的窄带红外反射结构尺寸约为4 mm × 4 mm。

在我们的工作中，在机械驱动之前，基于三角皱纹结构的窄带红外反射结构，红外光谱在波长为 5 μm 处的总反射强度为 18 ± 2%，平均反射强度为 5 ± 2%平均漫反射分量为 13 ± 2%，比例为 ~ 0.38，如图 4c 所示。

机械驱动后，总反射强度在 5 μm 波长处增加至 63 ± 4%，反射分量要大得多，为 50 ± 3%，漫反射分量几乎不变，为 13 ± 2%，比例为 ~ 3.8 （如图4d所示）。该结果与基于三角形皱纹结构的 Ag 改性反射膜一致。由于三角形TiO2/SiO2多层皱纹结构被拉伸成平面膜的原因，反射率从5%增加到63%。入射的红外光可以从平面膜沿一定角度反射，以提高反射率。

类似地，对于基于三角形皱纹结构的窄带红外反射率结构，反射与漫射比在 5 μm 波长处降低了大约一个数量级。此外，在 3、4 和 5 μm 的波长（由于 TiO2 和 SiO2 的厚度变化）也可以证明相同的结果，如图 4e 所示。

一般来说，三角形皱纹结构在宽带波长下的总反射率作为应变的函数而增加（图 4f）。反射随着应变而增加，但漫反射分量保持相对不受影响。原因是三角形皱纹结构和平面膜的粗糙度大致相同。通过覆盖 TiO2 或 SiO2 薄膜，皱纹结构的高度从~ 1 μm 降低到~ 200 nm。因为两个三角形结构之间的角会比其他区域覆盖更多的薄膜，这会降低TiO2/SiO2多层薄膜皱纹结构的高度。薄膜厚度增加得越多，高度降低得越多。而对于TiO2/SiO2平面薄膜，由于使用MEMS技术的氧化物质量比金属差，导致粗糙度约为~ 50 nm。

应用实例演示

作为三角皱纹结构红外隐身的概念验证，我们评估了我们的红外隐身结构在红外可视化下隐藏自己。

我们设计并制造了一种具有三乘三阵列结构的金改性红外反射膜。样品尺寸为 5 cm × 5 cm，由热红外相机成像，如图 5a 所示。由PDMS-纳米金刚石复合材料组成的三乘三阵列结构作为标签，具有高红外透射材料，如图5b所示。

Au修饰结构在红外线中的可逆隐身。 一 在机械驱动之前和之后（右）在恒定热通量（左）下的 Au 改性结构的示意图。 b Au改性结构的光学图像。 c 三角形皱纹结构随应变增加的微观形态特征。 d 相同Au改性结构随应变增加的相应红外相机图像

在机械驱动之前，通过激光扫描共聚焦显微镜清楚地观察到三角形 Au 修饰的皱纹结构，如图 5c（左）中的插图所示。从插图的剖面图可以清楚地看到三角形结构。相应的红外图像如图5d（左）所示。在没有驱动的情况下，只有 Au 改性膜结构的整体轮廓。随着应变从 0 增加到 60%，三角形皱纹结构被拉伸变平，高度下降到零，这通过激光扫描共聚焦显微镜观察到。相应的红外图像表明，由于红外反射率的增加，Au改性薄膜结构逐渐变红。而三乘三的阵列结构则是出现了一个洞。因此，结果证明了三角形皱纹结构的红外隐身效果，具有重复性、稳定性和完全可逆性的优点。

结论

我们研究了贵金属（Au 和 Ag）和金属氧化物（TiO2/SiO2）改性的可拉伸三角皱纹结构的红外隐身性能。

首先，这些结构的红外反射率已从 50% 调整到 5%，并且反射与漫射比动态调制了大约一个数量级。其次，我们提出的结构具有宽带和窄带波长自适应红外伪装技术的功能。第三，这些结构已经直接集成并且具有重复循环的稳定性。最后，这些结构在室温下通过简单的机械驱动实现了新的自主便携式技术。最终，所描述的结构可能为红外伪装在军事安全和监视领域的应用提供新的可能性。

缩写

原子力显微镜：

原子力显微镜

PDMS：

聚二甲基硅氧烷