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用于红外伪装和安全的相变薄膜腔热发射图案的平行激光打印
材料来源: 江苏激光产业技术创新战略联盟           录入时间:2022/5/31 23:17:19

1介绍

红外(IR)辐射通常被称为“热辐射”,对各种应用至关重要。宽红外光谱通常分为近红外(0.75–1.5µm)、短波红外(1.5–3µm)、中波长红外(3–8µm)、长波红外(8–15µm)和远红外(15–1000µm)。红外辐射有两个大气窗口:一个在3–5µm范围内,另一个在8–13µm范围内。与其他波长相比,这些窗口范围内的红外波长明显较少被大气气体吸收。

在这篇文章中,我们提出了一种激光打印方法,用于位置选择性和连续控制GST发射器的热发射。在金属背反射器上沉积的400 nm厚的非晶态GST膜中记录了多个晶化图案,其中每一层的晶化是通过空间调制脉冲激光束形成的图案。这使得特定位置的发射率可以在0.26和0.8之间进行调整。与使用聚焦光束的传统激光工艺不同,所述激光打印是一种基于扩展光束的并行工艺,可产生晶圆尺寸的热发射图案。所采用的方法允许打印梯度发射图案和阶梯图案。

2结果和讨论

通过时域有限差分(FDTD)模拟分析了GST发射极的发射光谱随GST薄膜结晶结构的变化。图1A说明了四种不同的模拟结构,其中每一结晶层(即c-GST层)在400 nm厚的GST膜内具有50 nm的恒定厚度。图1B显示了四种结构的发射率光谱,这是根据FDTD方法计算的反射光谱得出的。绘制GST薄膜完全无定形和完全结晶时获得的光谱,分别标记为“a-GST”和“c-GST”,以进行比较。

图1 A)模拟结构。B)通过FDTD模拟计算发射率谱。C)实验样品的热图像。D)测量样品的发射率光谱。E)样品的凝视入射X射线衍射图。

如图1B所示,当整个GST膜为非晶态时,发射率保持较低。由于a-GST对红外光的透明性,即使满足共振条件,并且一定波长范围内的入射红外可能限制在膜内,空腔的吸收也很小;共振是高吸收的必要条件,而不是充分条件。

图1中的结果表明,使用激光可以在平面GST腔中记录热发射图案。激光打印的原理如图2A所示。将厚度为200 nm的a-GST膜沉积在金属后反射器上。该薄膜由激光束照射,其强度分布通过光掩模进行空间调制。在辐照膜上涂覆额外的GST膜(100 nm厚)后,使用具有不同空间调制的激光束再次辐照。使用这种逐层方法,多层结晶结构可以嵌入到L=400 nm的GST膜中,其中每一层的结晶通过空间调制的脉冲激光束形成图案。

图2 A)激光打印原理。B)产生逐步和梯度发射模式的机制。C)在硅晶片上制造的GST发射器上印刷阶梯和梯度发射图案。D)热处理对玫瑰图案热发射的影响。

为了评估发射率调制GST发射器的伪装性能,在直径为10 cm的玻璃晶片上制造的GST发射器中打印出由熊和鸟图像组成的发射图案(图3A)。图3B显示了在50°C的固定背景温度(Tb)下,物体温度(To)随热图像的变化。热图像是在转移物体冷却时使用红外相机拍摄的。使用温度计测量To和Tb。发射强度的变化(图3B)是物体温度变化的结果,而不是由内部结构的任何变化引起的。

图3 A)由熊和鸟图像组成的打印发射图案的照片。熊区和鸟区的ε分别为0.73和0.42。B)在将背景温度(Tb)保持在50°C的情况下,在不同物体温度(To)下拍摄的热图像。背景是ε=0.95的涂漆热板。C)不同Tb值下的热图像随To的变化,其中背景为ε=0.32的不锈钢板。D)伪装熊图像时的To和Tb值。E)鸟类伪装的To和Tb。

从图3可以清楚地看出,激光打印GST发射器可以有效地用于红外伪装。当然,最高工作温度是有限制的。如图2D所示,未辐照的背景区域在超过160°C的温度下显著结晶。这导致选择性激光辐照的影响消失。在130–160°C的温度范围内,发射曲线也将不同于打印曲线。因此,激光打印GST发射器的可靠工作温度低于130℃。

激光打印发射图案的另一个有希望的应用是在安全领域,包括防伪。可见光无法穿透400 nm厚的GST膜,因为其穿透深度较短。因此,GST发射器的可见图像由GST薄膜的表面结构决定,而其热图像则取决于薄膜的内部结构。这使得可以将热图像记录到与其可见图像不同的GST发射器中。图4A显示了三种光掩模图案(一种QR码图案和两种半色调图案),分别表示为P1、P2和P3。当模式P1和P2重叠时,获得调制的QR模式,并且该模式被表示为P12。类似地,通过组合模式P1和P3来生成模式P13。使用图案P1、P12和P13在GST发射器中激光打印结晶层。

图4 A)使用了三种光掩模图案。B)在h=400 nm下打印图案P1时获得的热图像。C)在h=400 nm下打印图案P12时获得的热图像。P12是指通过组合P1和P2生成的图案。D)在h=400 nm下打印图案P13时获得的热图像。P13是由P1和P3组合生成的图案。E)通过在h=400 nm处打印P12和在h=315和240 nm处打印P13获得的热图像(即P12×P13×P13)。F)沿“B”中标记的线测量的归一化发射强度。

激光打印热图像的发射轮廓受许多参数的影响,包括几何结构、比例、调制图案的数量及其在GST膜中的位置。这使得再现捕获的热图像极其困难,因为几乎不可能仅从最终图像跟踪之前的所有步骤。这为安全(包括防伪)提供了一个很有前景的平台。由于发射图案是由空间调制的Nd:YAG激光束形成的,因此该过程的分辨率取决于近红外光的衍射极限。在目前的研究中,GST发射器是在硅和玻璃衬底上制作的,并且使用发射器本身演示了红外自适应伪装。为了从周围环境中对任意物体进行热伪装,应开发发射率调制的柔性GST发射器,以便将其连接到物体上。为了利用激光打印的发射图案来防止货币伪造,需要在纸上准备这些图案。这是未来研究的两个具有挑战性但至关重要的课题。

3结论

我们提出了一种激光打印方法,用于对基于GST的发射器的热发射进行空间选择性和连续调谐。在这种方法中,结晶诱导的发射图案以逐层方式直接记录到非晶GST膜(400 nm厚)中,其中每层的结晶通过空间调制脉冲激光束形成图案。与使用聚焦光束的传统激光工艺不同,本发明的激光打印是一种基于扩展光束的并行工艺,可以在大面积上产生梯度发射图案以及阶梯图案。本文还表明,复制激光打印的发射图案可能非常困难。这为安全(包括防伪)提供了一个稳定而有效的平台。

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