杜克大学研究人员通过将超材料与微机电系统（MEMS）中电子控制的运动相结合，制作出首个具有红外发射特性的超材料器件——可重构红外发射器。该器件由可移动的图案化金属超材料（位于顶层）、保持静止的金属层（位于底部）和8 x 8独立可控的像素阵列（每个像素的尺寸为120 x 120微米）组成。它能以完全可控的方式发射热红外光，未来利用该器件可收集红外波段的废热，并将其转化为可用能量。

新技术可用于改进热光伏电池，热光伏电池是太阳电池的一种，与传统太阳电池不同的是，热光伏电池利用红外光或者热量，而非吸收可见光。

科学家一直致力于研发出足够实用的热光伏电池，吸收在热区域（例如制造玻璃所用的炉子和窑炉周围）发现的热能。此外，热光伏电池也能够将来自车辆发动机的热量转变为能量，为汽车电池充电。威利·J·帕迪拉说：“由于红外能量的发射或强度是可控的，因此该新型红外发射器可以提供一种定制方法，用于收集和利用热能。我们对利用废热的技术非常感兴趣，而且我们的技术可改进该工艺。”

正如《光学设计》期刊所报道的那样，帕迪拉和刘新宇博士利用超材料设计，高效吸收并发射红外波长。研究人员通过制作红外照相机可见的字母“D”，对微机电系统（MEMS）超材料器件做了实验验证。实验证明，该器件能实现一定范围的红外强度，并能以高达110kHz或每秒100000次以上的速度显示图案，能以逐个像素为基础做出快速改变。扩大技术规模可使该器件在战斗期间创建动态红外模式，用于敌我识别。

与通常用于实现可变红外发射的方法相反，新技术发射可控红外能量时不会引起温度变化。由于材料既不加热也不冷却，因而该器件可在室温下使用，而其他方法则需要较高的工作温度。虽然天然材料的实验在室温下已成功，但其仅限于较窄的红外光谱范围。

可重构红外发射器吸收红外光子，并且当顶层和底层相互接触时，高效发射红外光子，当顶层和底层分离时发射较少的红外能量。施加的电压控制顶层的运动，并且所发射红外能量的大小取决于施加的精确电压。

在一定强度范围内（相当于近20℃的温度变化），通过利用红外照相机，研究人员验证了可以动态调整从微机电系统超材料表面发射的红外光子的数量。

研究人员认为，他们可以修改顶层使用的超材料图案，制作不同颜色的红外像素，可以调节每个红外像素强度。这使得制作的红外像素与电视机的RGB像素相似。研究人员正着手扩展新技术，制作出具有更多像素点（多达128 x 128）的器件。

文章链接：

Xinyu Liu, Willie J. Padilla. “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter," Optica, 2017; 4 (4): 430 DOI: 10.1364/optica.4.000430

（本文文字来源：国防科技信息网，作者：工业和信息化部电子第一研究所许文琪；）

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