Design, Preparation and Characterization of Infrared Low-Emissivity Film
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摘要: 为了降低红外探测技术对军事目标生存能力的威胁，研制了红外低辐射膜。设计并制备了基于一维光子晶体结构的红外低辐射膜，通过结构参数优化，改善了其红外波段反射性能，并降低了薄膜总厚度。采用红外椭偏仪测试了原材料Ge膜和ZnS膜的厚度和折射率，将测试结果带入设计结构，制备了8~12 μm发射率分别为0.045、0.097、0.174和0.346的红外低辐射膜。研究结果表明，通过结构优化，可制备出不同发射率的红外低辐射膜，满足武器装备不同辐射背景下的红外隐身要求。Abstract: Military targets require infrared (IR) stealth performance because of the rapid development of IR detection technology. In this study, an IR low-emissivity film based on a one-dimensional photonic crystal structure was designed and fabricated. The IR reflectance of the low-emissivity film was improved, and the total thickness of the film was reduced by optimizing its construction parameters. The thickness and optical parameters of the Ge and ZnS film prepared via vacuum evaporation were tested using an IR ellipsometer. The IR low-emissivity films with IR emissivities of 0.045, 0.097, 0.174, and 0.346 were prepared via vacuum evaporation after the optimized test results were incorporated into the crystal structure design. The IR reflectivity of the IR low-emissivity films was measured using a Fourier-transform IR spectrometer. The test results agreed well with the calculated results.
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0. 引言
红外探测技术不断发展，探测距离越来越远，探测角度越来越大，已广泛应用于海陆空领域[1-3]，对武器装备构成了严重威胁，因此，红外隐身材料的研发与制备引起了广泛重视[4-5]。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质材料在一个方向上周期性交替排列的结构，具有光子禁带和光子局域的特性[6-7]。一维光子晶体光子禁带位于红外波段时，可以实现低红外发射率，满足武器装备红外隐身要求[8-9]。
本论文以一维光子晶体结构为基础，通过结构参数优化，设计了不同厚度的红外低辐射膜；制备了单层Ge膜和ZnS膜，采用红外椭圆偏振测量仪精确测试并拟合了其厚度和光学参数；将拟合结果代入设计结构，制备了不同厚度的红外低辐射膜；测试了红外低辐射膜的红外反射光谱及红外发射率，测试结果与设计结果一致。
1. 红外低辐射膜的设计与优化
1.1 一维光子晶体的高反射原理
一维光子晶体材料结构模型，如图 1所示，图中Sub为一维光子晶体的基底，nH为高折射率材料的折射率，dH为高折射率材料的厚度，nL为低折射率材料的折射率，dL为低折射率材料的厚度，a为晶格常数（单个周期结构的厚度）。其结构类似于光学多层介质膜[10]，是介电常数不同的两种介质材料在一个方向上周期性交替排列的结构。
本文利用基于平面波展开法的Rsoft软件Band Solve模块计算图 1所示的一维光子晶体材料的能带结构，结果见图 2(a)。利用基于传输矩阵法的Essential Macleod软件计算了其频率-反射谱，见图 2(b)。两种计算方法采用的一维光子晶体的结构参数相同，均为nH=4.004、dH=0.2 μm、nL=2.185、dL=0.397 μm、a=0.597 μm，高低折射率材料排列的周期数N=6。
图 2(a)中，纵坐标为无量纲频率，横坐标为布洛赫波矢，在所计算的频率范围内，存在0.139~0.209、0.486~0.556、0.834~0.904、1.181~1.251四个光子禁带，光子禁带的宽度均为0.07。图 2(b)中，纵坐标为无量纲频率，横坐标为反射率，在对应的4个光子禁带的范围内，对入射光的反射率均为100%。通过平面波展开法计算得到的光子禁带与通过传输矩阵法计算得到的光谱高反射带一一对应，以上两种方法分别是基于不同的物理概念和计算式，但是对同样的光（电磁波）传播现象，得到的结果是相通的。
1.2 红外低辐射膜设计
从图 2可知，在光子禁带范围内，材料对入射电磁波具有100%的反射率，可通过调整一维光子晶体的晶格常数、材料组成、填充比等结构参数，使其光子禁带位于红外波段[11]，有效抑制目标表面的红外辐射，实现目标的红外隐身。
采用Ge为高折射率材料H、ZnS为低折射率材料L，设计了结构为sub|(0.75L0.75H)6(LH)6|air的红外低辐射膜，见图 3。其中，Sub为K9玻璃，其厚度为1mm，Ge的折射率为4.004（@11.0 μm），厚度为0.718 μm，ZnS的折射率为2.185（@11.0 μm），厚度为1.320 μm，膜层总厚度为21.399 μm。
根据布拉格定理可知，一维光子晶体的光子禁带的中心波长处频率为：
$$ {\omega _m} = \frac{{{n_1} + {n_2}}}{{4{n_1}{n_2}}} \cdot \frac{{2{\text{π }}c}}{a} $$ (1) 式中：n1、n2为组成一维光子晶体的材料的折射率；c为真空中电磁波的传播速度；a为晶格常数。
一维光子晶体的光子禁带的带宽为：
$$ \Delta \omega = \frac{4}{{\text{π }}} \cdot {\sin ^{ - 1}}\left( {\frac{{\left| {{n_1} - {n_2}} \right|}}{{{n_1} + {n_2}}}} \right) \cdot \omega _{\text{m}}^{} $$ (2) 将设计的红外低辐射膜的结构参数代入公式(1)和(2)，经计算可得到，设计的红外低辐射膜的两个光子禁带的中心波长为8.64 μm、11.52 μm，光子禁带的带宽为3.19 μm、4.25 μm，光子禁带的波长范围为7.36~10.55 μm、9.82~14.07 μm。从计算可知，设计的红外低辐射膜的光子禁带位于红外波段，但是单个光子禁带无法覆盖8~14 μm整个红外波段，两个光子禁带叠加后，光子禁带的范围变宽为7.36~14.07 μm，可实现8~14 μm整个红外波段的红外高反射、低辐射。
采用Essential Macleod软件计算了红外低辐射膜的反射光谱如图 4所示，该红外低辐射膜在8~14 μm的理论平均红外反射率为99.6%，理论红外发射率为0.004，理论计算结果与光子的禁带的设计结果相符。
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图 4 红外低辐射膜的理论反射光谱Figure 4. Theoretical reflection spectrum of infrared low-emissivity film1.3 红外低辐射膜的结构优化
采用Essential Macleod软件对薄膜结构进行了优化，降低了红外低辐射膜的厚度，不同厚度的红外低辐射膜的理论反射光谱如图 5所示。
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图 5 不同厚度的红外低辐射膜的理论反射光谱Figure 5. Theoretical reflection spectrum of infrared low-emissivity film with different thickness设计并优化的红外低辐射膜的厚度与其在8~14 μm的理论平均反射率如表 1所示。
表 1 不同厚度的红外低辐射膜的理论红外性能Table 1. Theoretical infrared performance of infrared low-emissivity film with different thicknessNumber of layers Total thickness /μm 8-14 μm theoretical average reflectivity Relative value of thickness reduction Relative value of theoretical average reflectivity reduction 16 15.9 98.7% 25.4% 0.9% 13 11.35 98.1% 46.7% 1.5% 7 6.98 90.9% 67.2% 8.7% 3 2.41 82.4% 88.7% 17.3% 1 0.63 67.4% 97.0% 32.3% 从表 1可以看出：结构优化后，当红外低辐射膜的厚度降低到11.35 μm时，厚度降低了46.7%，平均反射率降低了1.5%；当红外低辐射膜的厚度降低到6.98 μm时，厚度降低了67.2%，平均反射率降低了8.7%；当红外低辐射膜的厚度降低到2.41 μm时，厚度降低了88.7%，平均反射率降低了17.3%；当红外低辐射膜的厚度降低到0.63 μm时，厚度降低了97.0%，平均反射率降低了32.3%。
武器装备红外隐身的基本原则是目标与背景的红外辐射特性相融合，并不是红外发射率越低越好[12-13]。因此，在实际的应用过程中，可根据武器装备的具体使用环境，设计并制备不同发射率的红外低辐射膜，即满足了武器装备红外隐身的需求，又可降低加工难度，提高膜层的使用性能。
2. 红外低辐射膜的制备
2.1 Ge膜和ZnS膜的制备及光学参数提取
首先采用真空蒸镀工艺在硅基底上制备了单层Ge膜和单层ZnS膜，采用J. A. Woollam公司生产的IR-VASE Mark Ⅱ红外椭圆偏振测量仪测试了经过单层膜反射后出射光的振幅差（Psi）和相位（Delta），采用数据处理软件CompleteEASE建立模型，对测试结果进行了拟合，拟合结果如图 6所示。
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图 6 锗膜（a）和硫化锌膜（b）的拟合结果与测试结果对比图Figure 6. Comparison between fitting results and test results of Ge film (a) and ZnS film (b)从图 6可以看出，通过建立模型计算得到的曲线与测试曲线基本重合，因此拟合所用的厚度和光学参数可视为制备的单层Ge膜和ZnS膜的厚度和光学参数。将建模所用参数提取出来，经计算得到了Ge膜和ZnS膜折射率，并与Essential Macleod软件数据库中的Ge膜和ZnS膜的折射率进行了对比，如图 7所示。
从图 7可以看出，制备的单层Ge膜在3~14 μm的折射率为4.076~4.143，单层ZnS膜在3~14 μm的折射率为2.199~2.221；软件数据库中的Ge膜在3~14 μm的折射率为4.001~4.048，ZnS膜在3~14 μm的折射率为2.130~2.258。制备的Ge膜和ZnS膜与数据库中的Ge膜和ZnS膜的折射率差值分别为0.075~0.095、－0.037~0.069，折射率差异率分别为1.87%~2.35%、－1.64%~3.24%。
将测试厚度与设备输入厚度进行对比得到了Ge膜和ZnS膜停镀点和tooling值，如表 2所示。从表 2可以看出，制备的Ge膜和ZnS膜的设备监控与实测厚度差为3.01%和12.99%。
表 2 制备的Ge膜和ZnS膜停镀点和tooling值Table 2. Stop coating point and tooling value of prepared Ge film and ZnS filmMaterial Equipment input thickness/kA Stop coating thickness/kA Test thickness/kA Thickness difference/% Tooling value Ge 5.000 5.013 5.164 3.01 1.030 ZnS 9.000 9.027 7.854 12.99 0.870 从图 7和表 2可以看出，真空镀膜设备制备的薄膜的厚度和光学参数与设备监控厚度和理论光学参数有较大差异，如果直接按照设计结果进行镀膜，无法准确实现设计结果。
2.2 不同厚度红外低辐射膜的参数修正
将测试的单层Ge膜和ZnS膜的光学常数代入到设计结果中，对设计结构进行了修正，修正后红外低辐射膜的反射光谱如图 8所示。
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图 8 修正后红外低辐射膜理论反射光谱Figure 8. Theoretical reflection spectrum of revised infrared low-emissivity film采用真空蒸镀工艺，按照修正的结构在K9玻璃基底上制备了设计厚度为21.4 μm、6.98 μm、2.41 μm和0.63 μm的红外低辐射膜样品，制备过程中Ge膜和ZnS膜的tooling值分别为1.03、0.87，样品照片如图 9所示。
3. 红外低辐射膜的表征
3.1 红外反射光谱测试表征
采用Bruker公司的VERTEX 70V傅里叶红外光谱仪对4种不同厚度的红外低辐射膜的红外光谱进行了测试，结果如图 10所示。
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图 10 制备的红外低辐射膜的反射光谱Figure 10. Reflection spectrum of the prepared infrared low-emissivity film计算了制备的红外低辐射膜在8~14 μm的平均反射率，并与理论平均反射率进行对比，结果如表 3所示。从表 3可以看出，制备的红外低辐射膜在8~14 μm理论与实测平均反射率差值≤2.3%。
表 3 8~14 μm理论与实测平均反射率对比表Table 3. Comparison of 8-14 μm theoretical and measured average reflectivityNumber of layers Total thickness/μm Theoretical average reflectivity Measured average reflectivity Average reflectivity difference 24 21.4 99.6% 98.2% -1.4% 7 6.98 90.9% 89.3% -1.6% 3 2.41 82.4% 80.1% -2.3% 1 0.63 67.4% 68.7% -1.3% 从图 10和表 3可以看出，通过采用椭圆偏振测量仪对单层膜的光学参数和厚度的精确修正后，制备的红外低辐射膜可很好地实现设计结果。
3.2 红外隐身性能表征
采用美国SOC公司ET10便携式红外发射率测量仪测试了红外低辐射膜的红外发射率，设备的测试波段为8~12 μm，计算了红外低辐射膜在8~12 μm波段的平均反射率，根据发射率=1－平均反射率，计算了红外低辐射膜在8~12 μm波段理论发射率，与测试结果进行了对比，如表 4所示。
表 4 在8~12 μm波段理论设计结果、反射光谱测试结果和发射率测试结果对比表Table 4. Comparison between theoretical design results, reflection spectrum test results and emissivity test results in 8-12 μmNumber of layers Total thickness/μm Design average reflectivity Test average reflectivity Theoretical emissivity Measured emissivity Difference between theoretical and measured emissivity 24 21.4 99.7% 98.2% 0.018 0.045 0.027 7 6.98 90.5% 91.2% 0.088 0.097 0.009 3 2.41 84.7% 83.9% 0.161 0.174 0.013 1 0.63 68.1% 68.7% 0.313 0.346 0.033 从表 4可以看出，理论与实测发射率差值≤0.033，理论设计结果、反射光谱测试结果和发射率测试结果可以较好地对应。
4. 结语
本文以一维光子晶体结构为基础，通过结构优化，大幅度降低了膜层总厚度；采用椭圆偏振测量仪精确测试并计算了Ge膜和ZnS膜的折射率和消光系数，将拟合结果带入设计结构，制备了厚度分别为21.3 μm、6.98 μm、2.41 μm和0.63 μm的红外低辐射膜；采用傅里叶红外光谱仪测试了4种红外低辐射膜在8~14μm的反射光谱，采用便携式红外发射率测量仪测试了红外低辐射膜在8~12μm的发射率，分别为0.045、0.097、0.174和0.346，并将测试结果与设计结果进行对比。研究结果表明，通过结构优化，在保证红外隐身性能的前提下，可大幅度降低红外低辐射膜的厚度；采用椭圆偏振测量仪，可对单层膜的厚度和光学参数进行精确测试和拟合；经参数修正后，制备的红外低辐射膜的反射光谱和红外发射率可很好地实现理论设计结果。
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图 4 红外低辐射膜的理论反射光谱
Figure 4. Theoretical reflection spectrum of infrared low-emissivity film
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图 5 不同厚度的红外低辐射膜的理论反射光谱
Figure 5. Theoretical reflection spectrum of infrared low-emissivity film with different thickness
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图 6 锗膜（a）和硫化锌膜（b）的拟合结果与测试结果对比图
Figure 6. Comparison between fitting results and test results of Ge film (a) and ZnS film (b)
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图 8 修正后红外低辐射膜理论反射光谱
Figure 8. Theoretical reflection spectrum of revised infrared low-emissivity film
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图 10 制备的红外低辐射膜的反射光谱
Figure 10. Reflection spectrum of the prepared infrared low-emissivity film
表 1 不同厚度的红外低辐射膜的理论红外性能
Table 1 Theoretical infrared performance of infrared low-emissivity film with different thickness
Number of layers Total thickness /μm 8-14 μm theoretical average reflectivity Relative value of thickness reduction Relative value of theoretical average reflectivity reduction 16 15.9 98.7% 25.4% 0.9% 13 11.35 98.1% 46.7% 1.5% 7 6.98 90.9% 67.2% 8.7% 3 2.41 82.4% 88.7% 17.3% 1 0.63 67.4% 97.0% 32.3% 
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表 2 制备的Ge膜和ZnS膜停镀点和tooling值
Table 2 Stop coating point and tooling value of prepared Ge film and ZnS film
Material Equipment input thickness/kA Stop coating thickness/kA Test thickness/kA Thickness difference/% Tooling value Ge 5.000 5.013 5.164 3.01 1.030 ZnS 9.000 9.027 7.854 12.99 0.870
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表 3 8~14 μm理论与实测平均反射率对比表
Table 3 Comparison of 8-14 μm theoretical and measured average reflectivity
Number of layers Total thickness/μm Theoretical average reflectivity Measured average reflectivity Average reflectivity difference 24 21.4 99.6% 98.2% -1.4% 7 6.98 90.9% 89.3% -1.6% 3 2.41 82.4% 80.1% -2.3% 1 0.63 67.4% 68.7% -1.3%
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表 4 在8~12 μm波段理论设计结果、反射光谱测试结果和发射率测试结果对比表
Table 4 Comparison between theoretical design results, reflection spectrum test results and emissivity test results in 8-12 μm
Number of layers Total thickness/μm Design average reflectivity Test average reflectivity Theoretical emissivity Measured emissivity Difference between theoretical and measured emissivity 24 21.4 99.7% 98.2% 0.018 0.045 0.027 7 6.98 90.5% 91.2% 0.088 0.097 0.009 3 2.41 84.7% 83.9% 0.161 0.174 0.013 1 0.63 68.1% 68.7% 0.313 0.346 0.033
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