徐卫林院士、万骏&港中文龙祎等: 中红外透明材料的结构主导机制与光子能量调控

Mid-Infrared Transparent Materials: from Mechanisms to Cutting-Edge Applications

Hanyuan Zhang, Zhenhui Huang, Changyuan Chen, Yi Long*, Weilin Xu, Zhengui Zhou*, and Jun Wan*

Nano-Micro Letters (2026)18: 260

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02113-y

本文亮点

1. 机制统一，跨体系建模：构建了以损耗通道为核心的中红外透明材料统一分析框架，将声子吸收、电子吸收与多尺度散射整合为可比较、可推演的结构、机制、性能模型，实现不同材料类别在同一物理坐标系下的系统映射。

2. 多双路径设计，面向工程转化：提出“本征透明体系”与“结构增强体系”并行的设计范式，将材料本征电子与晶格结构优势与界面阻抗匹配、亚波长结构及梯度折射率工程协同耦合，为宽带、高稳定中红外透明材料的规模化应用提供可操作路径。

研究背景

中红外(Mid-Infrared, MIR，2.5–20 μm)波段位于分子振动与热辐射主导的能量区间，是连接光子学、热力学与材料结构物性的关键光谱窗口。在这一波段内，分子振动与晶格声子共振决定了物质的本征吸收行为，而8–13 μm大气窗口则为热辐射与能量交换提供了天然通道。因此，高中红外透过率(TMIR)材料不仅是红外成像、气体光谱识别、超分辨探测与集成光子学平台的基础光学载体，同时也是辐射冷却、辐射加热与动态热调控系统中不可替代的功能界面。可以说，MIR透明材料既是“光子通道”，也是“热流通道”，其物理本质涉及电磁波传播、晶格动力学与界面光学耦合等多重机制。然而，实现高TMIR远非简单的材料筛选问题。中红外透过性能在工程体系中受到多重损耗通道的协同制约，包括界面Fresnel反射、体相声子吸收、多声子跃迁、自由载流子吸收、缺陷态吸收以及由孔隙、晶界与粗糙界面引发的散射损耗。这些机制不仅相互耦合，而且往往在不同尺度上被放大，使得实验测得的透过率与材料本征极限之间存在显著差距。与此同时，高TMIR材料还必须满足热稳定性、机械强度、环境耐久性以及规模化加工可行性等工程约束，导致“光学最优”与“工程可行”之间存在结构、性能、可靠性的复杂权衡。现有研究多集中于特定材料体系或单一应用场景，缺乏统一的物理框架来解释不同材料类别之间的透明性差异及其改进路径。因此，建立一套从电磁传播基本方程出发、贯通材料电子结构、晶格振动特征与微结构尺度效应的系统性理论框架，对于推动MIR透明材料从实验室演示走向可工程部署的光子与热管理系统具有重要意义。

内容简介

武汉纺织大学徐卫林院士团队的万骏教授与香港中文大学龙祎教授、周振贵博士合作围绕中红外透明材料的物理起源与工程优化路径，系统构建了以损耗通道为核心的分析框架，将TMIR问题统一到能量守恒与电磁波传播理论之下(图1)。首先，从T(λ)+R(λ)+A(λ)=1的能量分配关系出发，明确透过率的提高必须同时抑制界面反射与体内吸收两类损耗。随后通过复折射率形式与Beer–Lambert指数衰减关系，定量揭示消光系数k(λ)与材料厚度对透过率的指数敏感性，阐明微量缺陷、杂质或载流子浓度变化即可在毫米尺度光程内显著放大吸收损耗。在界面层面，结合Fresnel方程与抗反射设计原理，分析高折射率材料在空气-材料界面天然存在的反射上限，并系统讨论单层、多层及梯度折射率结构在宽带MIR范围内的抑制机制。在此物理框架基础上，论文进一步将衰减机制分解为本征吸收与外禀散射两类主导过程。本征吸收由红外活性声子、多声子跃迁、缺陷态及自由载流子吸收共同决定，其本质受晶格对称性、键极化强度与电子能带结构调控；外禀散射则源于孔隙、晶界、相界面与表面粗糙度引起的介电不均匀性，当结构特征尺度接近或超过中红外波长时，Mie散射将显著削弱弹道透过分量。由此，材料纯度控制、缺陷化学调节、致密化工艺与表面光学级处理被提升为决定TMIR上限的关键技术路径。基于上述机制分析，论文将高TMIR材料划分为“本征透明体系”与“结构设计增强体系”两大类。前者依赖宽禁带、低载流子密度与低红外活性振动的晶体结构实现自然透明；后者则通过亚波长纹理、折射率梯度、层状复合或多尺度形貌工程，主动调控界面与散射损耗，从而在原本受限的材料体系中构建可用透明窗口。这种分类不仅有助于横向比较不同材料族的性能边界，也为未来材料设计与器件集成提供了可迁移的理论依据。

图1. 高TMIR材料的分类框架及其在光学与热管理系统中的应用示意图。

图文导读

I 基于能量守恒与电磁传播的中红外透过机制

图2从电磁波传播基本原理出发，建立了中红外透过问题的数学与物理基础。首先，展示了T(λ)+R(λ)+A(λ)=1的能量分配关系，其意义不仅在于形式上的守恒约束，更在于明确了透过率优化必须同时控制界面反射与体内吸收两类独立通道。其次，进一步引入复折射率ñ(λ)=n(λ)-ik(λ)的概念，并通过Beer–Lambert指数关系揭示透过率对消光系数k(λ)与厚度d的指数敏感性。在MIR长波区，由于波长处于微米量级，即便k(λ)处于10⁻³数量级，在毫米级光程下亦可能引起数量级变化的透过衰减。这一指数放大效应解释了为何材料纯度与缺陷控制在MIR体系中尤为关键。随后，通过Fresnel方程定量说明高折射率材料在空气界面处的反射极限。例如，当n>3时，单界面反射率可超过30%，即使材料内部几乎无吸收，理论透过率也将受到显著削弱。这一分析为后续抗反射结构设计奠定理论基础，并揭示界面工程在高TMIR体系中的不可替代性。因此，整体构建了从宏观能量分配到微观光学常数之间的逻辑闭环，是理解后续材料分类与性能差异的理论起点。

图2. 中红外透过的能量分配、指数衰减与界面反射机制示意图。

II 吸收与散射的微观结构起源及其耦合机制

图3聚焦中红外衰减机制的物理本源。首先，以Lorentz振子模型为理论基础，阐释红外活性声子对介电函数虚部的贡献机制。在极性晶体中，横向与纵向光学声子共振可形成Reststrahlen区，使特定波段内透过率显著下降。晶格对称性越低、键极化程度越高，红外活性振动模式数量与强度通常越大，从而缩窄透明窗口。此外，自由载流子吸收可由Drude模型描述，其吸收强度随波长平方增长，在长波端尤为显著。这意味着即便极低浓度的非故意掺杂，也可能在10 μm以上区域产生可观衰减。缺陷态与Urbach尾则在亚带隙区域形成指数型吸收背景，降低材料的光谱平坦性。其次，讨论散射机制的尺度依赖特征。Rayleigh散射在长波区通常较弱，但当孔隙、晶粒或夹杂尺寸进入微米量级时，Mie散射将成为主导机制。此时，光能从弹道通道转移至离轴扩散方向，导致有效成像透过率下降。论文强调弹道透过与半球总透过的区分，指出对于成像与激光应用而言，低雾度与高方向性透过同等重要。随后，进一步揭示缺陷化学与微结构不均匀性如何通过改变局域介电函数与声子分布调制k(λ)。氧空位、残余羟基、非化学计量组分均可能在MIR窗口内引入附加吸收峰。由此，晶格完美度与化学纯度成为决定透明极限的核心因素。综上，该图将电子结构、晶格动力学与微结构尺度统一于衰减机制分析之中，为不同材料类别之间的性能差异提供物理解释框架。

图3. 中红外吸收与散射损耗的微观结构起源示意图。

III 材料体系的结构-性能映射与透明性边界

图4在全文物理框架基础上构建了高TMIR材料的系统性结构-性能映射图谱，其意义并非简单列举高透过率材料，而是在统一损耗通道模型下揭示不同材料类别透明性的物理上限与主导限制因素。通过将材料按照本征透明体系与结构增强体系进行分类，并结合其在2.5~20 μm范围内的波段覆盖与透过率表现，实际上构建了跨材料族的透明性“边界图”，使实验数据能够回溯至具体物理机制。

从无机晶体体系来看，氧化物材料普遍表现出较好的中短波MIR透过能力，但在长波端往往出现明显衰减。这一现象并非加工缺陷所致，而是由氧化物中M-O键的高极化性与丰富的红外活性声子模式决定。较强的晶格偶极振动导致多声子吸收边界提前出现，使透明窗口受限于声子谱结构。因此，氧化物的透明上限主要由晶格振动机制决定，其优势在于结构稳定性与环境耐久性，而非超宽带光谱覆盖能力。

相比之下，硫族化合物展现出更宽的长波透明范围。这源于较重阴离子所带来的低声子频率，使多声子吸收被推向更长波段，从而扩展透明窗口。然而，这类材料往往具有相对较小的带隙，电子结构对透明性的影响更加显著。自由载流子吸收与缺陷态引发的亚带隙吸收可能在长波端迅速放大损耗。因此，其透明极限往往由电子结构与载流子浓度控制，而非声子吸收本身。

Group IVA元素材料如Si和Ge表现出优异的体相透明性，其高对称共价晶格抑制了红外活性声子数量，并在高纯度条件下显著降低缺陷态密度。然而，这类材料的主要限制来自高折射率引发的界面Fresnel反射。尽管材料内部吸收较低，但单界面反射即可造成显著能量损失，若缺乏抗反射结构设计，其本征透明优势难以转化为器件级高透过性能。因此，这类材料的透明上限更多受界面光学工程而非体相物性约束。

氟化物体系呈现出极为宽广且平坦的透明窗口，这与其宽禁带特性、低极化声子模式以及较简单的晶格振动结构密切相关。其声子截止频率通常高于20 μm，使2.5~20 μm范围内几乎无显著本征吸收。然而，这类材料在机械强度与环境稳定性方面存在一定限制，在实际工程应用中需在光学性能与结构可靠性之间进行权衡。

值得关注的是，部分磷化物及Zintl相材料展现出接近理论极限的宽带高透过率表现。这类材料通常具有三维刚性共价网络结构与较低的红外活性振动模式密度，其振动谱分布稀疏且多声子吸收边界位于更长波段。同时，其电子结构稳定、缺陷态较少，使得消光系数在宽波段内保持低值。这类材料体现了“本征结构优化”对透明上限的决定性作用。

聚合物体系呈现出明显的窗口型透过特征，其透明区间由分子振动模式分布决定。简单主链结构的聚合物如聚乙烯在特定波段可实现极高透过率，但C–H等振动峰会在若干区域形成吸收谷。尽管其宽带平坦透明性不及部分无机晶体，但其低密度、可大面积加工与结构可调性使其在热管理与柔性光学应用中具有独特优势。

此外，论文还强调了结构增强体系的意义。通过亚波长表面结构、折射率梯度设计或多层抗反射堆栈，可显著降低界面反射损耗；通过致密化与微结构优化，可抑制Mie散射并提高弹道透过率。这类体系的透明上限不再完全由材料本征电子或声子结构决定，而取决于微结构尺度精度与界面工程水平。

综合来看，图4揭示了不同材料类别的主导损耗机制存在显著差异：氧化物受限于声子吸收，硫族化合物受电子结构与载流子浓度调控，IVA元素受界面反射主导，氟化物受工程可靠性约束，磷化物由本征振动谱结构决定上限，而聚合物受分子振动模式限制。结构增强体系则通过界面与形貌工程重新分配损耗通道，拓展透明边界。

图4. 高TMIR材料体系的结构分类与波段透过性能对比。

IV 总结

综上，该论文的独特性在于将中红外透明材料从“材料名单式的性能汇编”提升为“可迁移的机制-设计范式”。其核心贡献不是单纯强调某些体系具有高透过率，而是以损耗通道为主线，把中红外透明这一看似单一的光学指标重新定义为由声子谱边界、电子结构底噪与多尺度界面/微结构散射共同限定的系统级属性，并据此建立了跨材料族可比较、可推演、可优化的统一语言。更重要的是，论文将材料的本征透明性与结构工程增益放入同一框架中讨论，使“为什么透明、透明如何被加工过程损伤、如何通过界面阻抗匹配与尺度约束把本征极限转化为器件级有效透过”形成闭环，从而把中红外透明材料从静态的光学窗口概念推进为能够同时服务光子传输与热辐射通量调控的功能平台。展望未来，中红外透明材料的竞争焦点将从追求更高的单点透过率，转向在目标波段内实现低k(λ)底噪与低散射的“光谱平坦透明”，并在湿热、紫外、磨损与热循环等真实边界条件下保持长期稳定；这要求材料设计由经验筛选转向对声子-光子耦合与缺陷电子态的可预测调控，并与宽带抗反射、梯度折射率与亚波长结构等界面工程协同集成，最终形成面向系统的可规模制造方案，使中红外透明真正成为下一代热管理与红外光子系统的工程级通用能力。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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