可编程界面原子重构-时空热辐射定制

研究背景

在热光子学中，热辐射作为一种天然存在于物理过程中的信息载体，为中红外波段的信息传输提供了一条无需外部主动供能的信道。在大气透明窗口（MWIR 3–5 μm、LWIR 8–14 μm）实现精确发射率调控，对于信息应用至关重要。现有动态调制技术面临功耗高、中间态不稳定等挑战，非易失性相变材料虽可零功耗保持编码状态，但其发射率状态有限且随结晶度单调变化，难以满足高密度信息存储与复杂加密需求。

研究进展

一．原理与效果

研究团队基于Ag-In₃SbTe₂界面原子重构机制，构建了金属-相变材料界面原子重构超材料（ARM）。通过热致原子迁移实现混合层介电常数连续可调，创新性地构造了三大优势：1）发射率调制幅度大，源于金属体积填充分数变化；2）调控维度丰富，原子重构速率受加热速率精确控制；3）重构过程非易失，且晶态IST可通过原子迁移实现金属-介质转变。结合激光直写技术，可在空间域实现图案化重构，在时间域实现发射率连续演化，为时空协同调控奠定了基础。

二．模型建立与机理分析

在等效模型建立中，本研究工作分析了混合层的介电特性，发现Ag体积填充分数接近0.5时介电常数虚部显著增大，表明该区域是主要光学损耗区。实验通过截面SEM验证了随温度升高混合层厚度增加的过程，并建立了体积填充分数与重构条件的关系曲线，证实体系对加热条件具有强稳健性。基于此，将混合层等效为Ag/Ag-IST/IST三层模型。模拟表明，增加Ag-IST层厚度可增强吸收率并引起吸收峰蓝移，同时损耗区从Ag/IST界面转移至Ag-IST层内部，证实银原子迁移引发的损耗增强是提升发射率的关键。

在空间维度上，利用激光直写技术诱导非晶IST发生相变，实现发射率的图案化调控；由于原子重排比相变更慢，顶部IST相态与底层原子重排可独立调制，为多维度控制提供了新途径。透射电镜与光谱测量证实，加热可使晶态IST转变为无序结构（金属‒介质转变），且相变可逆；直写区域与非写区域的发射率随加热温度呈现不同演化规律，且通过调节激光功率可精确控制结晶分数。值得注意的是，直写区域顶部cIST的金属‒介质转变速率与写入激光功率呈负相关，为通过热处理过程中定制激光功率来控制发射率时间演化提供了新策略。

三．应用与展示

1.信息存储

在第一组应用实验中，通过激光直写实现多位红外马赛克图案；在柔性聚酰亚胺基底上复刻唐诗（意大利斜体与颜真卿楷体），热像温度梯度与文字内容对应构成红外密码；郁金香图案在“热灌溉”过程中逐渐显形，展示了动态红外显示功能。

2.信息加密

在第二组应用实验中，首先实现了红外图案加密及可见波段隐藏:爱因斯坦肖像在加热过程中从模糊态（加密态）渐显为清晰人像（解密态）；数字“4”和“3”按特定顺序显现，实现序列加密。进而结合ZnS镀膜技术，可在可见光波段实现色彩隐蔽而不改变LWIR特性，防止多光谱信息泄露。

进一步地，本研究工作通过多步磁控溅射与分级激光直写，实现区域结晶度与厚度比定制，从而完成红外时空编码加密。解密需双重密钥：特定加热时刻（时间密钥）与预设图案提取顺序（组合密钥），引入冗余设计显著提升抗欺骗性，为高密度信息保护提供物理级的双要素认证新思路。

总结与展望

本研究突破了传统热光子学中辐射调控的离散态限制，首次提出了Ag-In₃SbTe₂界面原子重构超材料，建立了从等效模型、仿真分析到原子机制验证的完整理论体系，实现了时空连续可编程热辐射定制。未来可通过电场、磁场等多物理场耦合激励原子重构，拓展金属/相变材料等多种材料组合，构建全系统、全维度的介电常数谱库。最终实现从紫外到微波频段的超宽带、高分辨率时空光谱定制，为光子学与热辐射研究提供全新方法与平台。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1141