1介紹

紅外（IR）輻射通常被稱為“熱輻射”，對(duì)各種應(yīng)用至關(guān)重要。寬紅外光譜通常分為近紅外（0.75–1.5µm）、短波紅外（1.5–3µm）、中波長(zhǎng)紅外（3–8µm）、長(zhǎng)波紅外（8–15µm）和遠(yuǎn)紅外（15–1000µm）。紅外輻射有兩個(gè)大氣窗口：一個(gè)在3–5µm范圍內(nèi)，另一個(gè)在8–13µm范圍內(nèi)。與其他波長(zhǎng)相比，這些窗口范圍內(nèi)的紅外波長(zhǎng)明顯較少被大氣氣體吸收。

在這篇文章中，我們提出了一種激光打印方法，用于位置選擇性和連續(xù)控制GST發(fā)射器的熱發(fā)射。在金屬背反射器上沉積的400 nm厚的非晶態(tài)GST膜中記錄了多個(gè)晶化圖案，其中每一層的晶化是通過(guò)空間調(diào)制脈沖激光束形成的圖案。這使得特定位置的發(fā)射率可以在0.26和0.8之間進(jìn)行調(diào)整。與使用聚焦光束的傳統(tǒng)激光工藝不同，所述激光打印是一種基于擴(kuò)展光束的并行工藝，可產(chǎn)生晶圓尺寸的熱發(fā)射圖案。所采用的方法允許打印梯度發(fā)射圖案和階梯圖案。

2結(jié)果和討論

通過(guò)時(shí)域有限差分（FDTD）模擬分析了GST發(fā)射極的發(fā)射光譜隨GST薄膜結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。圖1A說(shuō)明了四種不同的模擬結(jié)構(gòu)，其中每一結(jié)晶層（即c-GST層）在400 nm厚的GST膜內(nèi)具有50 nm的恒定厚度。圖1B顯示了四種結(jié)構(gòu)的發(fā)射率光譜，這是根據(jù)FDTD方法計(jì)算的反射光譜得出的。繪制GST薄膜完全無(wú)定形和完全結(jié)晶時(shí)獲得的光譜，分別標(biāo)記為“a-GST”和“c-GST”，以進(jìn)行比較。

圖1 A）模擬結(jié)構(gòu)。B）通過(guò)FDTD模擬計(jì)算發(fā)射率譜。C）實(shí)驗(yàn)樣品的熱圖像。D）測(cè)量樣品的發(fā)射率光譜。E）樣品的凝視入射X射線衍射圖。

如圖1B所示，當(dāng)整個(gè)GST膜為非晶態(tài)時(shí)，發(fā)射率保持較低。由于a-GST對(duì)紅外光的透明性，即使?jié)M足共振條件，并且一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射紅外可能限制在膜內(nèi)，空腔的吸收也很��；共振是高吸收的必要條件，而不是充分條件。

圖1中的結(jié)果表明，使用激光可以在平面GST腔中記錄熱發(fā)射圖案。激光打印的原理如圖2A所示。將厚度為200 nm的a-GST膜沉積在金屬后反射器上。該薄膜由激光束照射，其強(qiáng)度分布通過(guò)光掩模進(jìn)行空間調(diào)制。在輻照膜上涂覆額外的GST膜（100 nm厚）后，使用具有不同空間調(diào)制的激光束再次輻照。使用這種逐層方法，多層結(jié)晶結(jié)構(gòu)可以嵌入到L=400 nm的GST膜中，其中每一層的結(jié)晶通過(guò)空間調(diào)制的脈沖激光束形成圖案。

圖2 A）激光打印原理。B）產(chǎn)生逐步和梯度發(fā)射模式的機(jī)制。C）在硅晶片上制造的GST發(fā)射器上印刷階梯和梯度發(fā)射圖案。D）熱處理對(duì)玫瑰圖案熱發(fā)射的影響。

為了評(píng)估發(fā)射率調(diào)制GST發(fā)射器的偽裝性能，在直徑為10 cm的玻璃晶片上制造的GST發(fā)射器中打印出由熊和鳥(niǎo)圖像組成的發(fā)射圖案（圖3A）。圖3B顯示了在50°C的固定背景溫度（Tb）下，物體溫度（To）隨熱圖像的變化。熱圖像是在轉(zhuǎn)移物體冷卻時(shí)使用紅外相機(jī)拍攝的。使用溫度計(jì)測(cè)量To和Tb。發(fā)射強(qiáng)度的變化（圖3B）是物體溫度變化的結(jié)果，而不是由內(nèi)部結(jié)構(gòu)的任何變化引起的。

圖3 A）由熊和鳥(niǎo)圖像組成的打印發(fā)射圖案的照片。熊區(qū)和鳥(niǎo)區(qū)的ε分別為0.73和0.42。B）在將背景溫度（Tb）保持在50°C的情況下，在不同物體溫度（To）下拍攝的熱圖像。背景是ε=0.95的涂漆熱板。C）不同Tb值下的熱圖像隨To的變化，其中背景為ε=0.32的不銹鋼板。D）偽裝熊圖像時(shí)的To和Tb值。E）鳥(niǎo)類偽裝的To和Tb。

從圖3可以清楚地看出，激光打印GST發(fā)射器可以有效地用于紅外偽裝。當(dāng)然，最高工作溫度是有限制的。如圖2D所示，未輻照的背景區(qū)域在超過(guò)160°C的溫度下顯著結(jié)晶。這導(dǎo)致選擇性激光輻照的影響消失。在130–160°C的溫度范圍內(nèi)，發(fā)射曲線也將不同于打印曲線。因此，激光打印GST發(fā)射器的可靠工作溫度低于130℃。

激光打印發(fā)射圖案的另一個(gè)有希望的應(yīng)用是在安全領(lǐng)域，包括防偽。可見(jiàn)光無(wú)法穿透400 nm厚的GST膜，因?yàn)槠浯┩干疃容^短。因此，GST發(fā)射器的可見(jiàn)圖像由GST薄膜的表面結(jié)構(gòu)決定，而其熱圖像則取決于薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這使得可以將熱圖像記錄到與其可見(jiàn)圖像不同的GST發(fā)射器中。圖4A顯示了三種光掩模圖案（一種QR碼圖案和兩種半色調(diào)圖案），分別表示為P1、P2和P3。當(dāng)模式P1和P2重疊時(shí)，獲得調(diào)制的QR模式，并且該模式被表示為P12。類似地，通過(guò)組合模式P1和P3來(lái)生成模式P13。使用圖案P1、P12和P13在GST發(fā)射器中激光打印結(jié)晶層。

圖4 A）使用了三種光掩模圖案。B）在h=400 nm下打印圖案P1時(shí)獲得的熱圖像。C）在h=400 nm下打印圖案P12時(shí)獲得的熱圖像。P12是指通過(guò)組合P1和P2生成的圖案。D）在h=400 nm下打印圖案P13時(shí)獲得的熱圖像。P13是由P1和P3組合生成的圖案。E）通過(guò)在h=400 nm處打印P12和在h=315和240 nm處打印P13獲得的熱圖像（即P12×P13×P13）。F）沿“B”中標(biāo)記的線測(cè)量的歸一化發(fā)射強(qiáng)度。

激光打印熱圖像的發(fā)射輪廓受許多參數(shù)的影響，包括幾何結(jié)構(gòu)、比例、調(diào)制圖案的數(shù)量及其在GST膜中的位置。這使得再現(xiàn)捕獲的熱圖像極其困難，因?yàn)閹缀醪豢赡軆H從最終圖像跟蹤之前的所有步驟。這為安全（包括防偽）提供了一個(gè)很有前景的平臺(tái)。由于發(fā)射圖案是由空間調(diào)制的Nd:YAG激光束形成的，因此該過(guò)程的分辨率取決于近紅外光的衍射極限。在目前的研究中，GST發(fā)射器是在硅和玻璃襯底上制作的，并且使用發(fā)射器本身演示了紅外自適應(yīng)偽裝。為了從周圍環(huán)境中對(duì)任意物體進(jìn)行熱偽裝，應(yīng)開(kāi)發(fā)發(fā)射率調(diào)制的柔性GST發(fā)射器，以便將其連接到物體上。為了利用激光打印的發(fā)射圖案來(lái)防止貨幣偽造，需要在紙上準(zhǔn)備這些圖案。這是未來(lái)研究的兩個(gè)具有挑戰(zhàn)性但至關(guān)重要的課題。

3結(jié)論

我們提出了一種激光打印方法，用于對(duì)基于GST的發(fā)射器的熱發(fā)射進(jìn)行空間選擇性和連續(xù)調(diào)諧。在這種方法中，結(jié)晶誘導(dǎo)的發(fā)射圖案以逐層方式直接記錄到非晶GST膜（400 nm厚）中，其中每層的結(jié)晶通過(guò)空間調(diào)制脈沖激光束形成圖案。與使用聚焦光束的傳統(tǒng)激光工藝不同，本發(fā)明的激光打印是一種基于擴(kuò)展光束的并行工藝，可以在大面積上產(chǎn)生梯度發(fā)射圖案以及階梯圖案。本文還表明，復(fù)制激光打印的發(fā)射圖案可能非常困難。這為安全（包括防偽）提供了一個(gè)穩(wěn)定而有效的平臺(tái)。

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