面向智能窗的多通道 DAST Janus 薄膜：透明性、方向吸收反转与结构代价

摘要

电压驱动的非对称光学薄膜可通过调节干涉与耗散分布，实现优势吸收方向切换；但增加电光通道通常也意味着更多导电层与更大的总厚度，需在统一约束下权衡性能与结构代价。本文构建双侧 PMMA 覆盖的 S0–S4 结构族，采用项目材料光学常数和标量电光模型，通过传输矩阵法计算正、反向响应。Ni、Ag、DAST 的厚度分别固定为 6、6、100 nm；对 ITO、介质间隔层及覆盖层实施等预算、多起点厚度搜索，并通过电压网格加密和独立厚度扰动筛选候选。最终，S2 的最低加权可见光透射率为 63.48%，太阳方向吸收差调控跨度为 10.12 个百分点，反转裕度为 4.66 个百分点，总厚度为 697 nm。增加通道可带来不同程度的调控增益，但也会增加结构厚度与驱动复杂度，因此不能仅凭通道数判断性能优劣。结果为透明性、可反转性与结构规模之间的工程权衡提供数值依据；结论仅适用于本文所用材料、层序和有效电光模型。

关键词： 智能窗；DAST；方向吸收反转；多层膜；电光调控；透明性

1 引言

智能窗的光学设计需要同时考虑可见光通透性与太阳辐射分配。对于有损非对称薄膜，正反方向的反射与吸收可以不同；进一步利用电光材料改变腔内相位，可以使优势吸收方向随电压变化。这种功能为可调光谱器件提供设计空间，但其建筑应用还取决于热传递、安装朝向与控制策略。

多通道控制扩大了可访问的折射率组合，同时增加了实际电极数量与传播长度。新增自由度的收益与新增膜层的代价必须同时评价。本文不预设双通道必然优于更多通道，而是在固定材料和层序规则下比较 S0–S4，以最低透射率、调控跨度和反转裕度约束结构选择，并检验有限厚度误差对比较结论的影响。

2 模型与方法

2.1 结构、电极与材料模型

被动基准为 PMMA/Ni/HfO_2/Ag/PMMA。主动结构在前后介质间隔层之间插入 ITO/DAST/ITO 单元，相邻 DAST 共享一个 ITO 节点，两侧保留 PMMA 覆盖层。所有 DAST 均由相邻 ITO 夹持，独立通道数等于相邻电极节点的独立差分电压数。Ni 侧定义为正向，Ag 侧定义为反向，两侧外部介质为空气。

DAST 折射率按以下关系计算：

$$n_{\mathrm{DAST},j}=2.2+3.41\frac{V_j}{d_j},$$

其中电压以 V、厚度以 nm 计，系数单位为 nm/V。该模型采用无色散的零偏折射率与零消光系数，是有效标量近似。金属、ITO、HfO_2、SiO_2 和 PMMA 使用项目中既有复折射率数据。每个 DAST 固定为 100 nm；场强上限 100 V/μm 对应每通道电压范围 ±10 V。相邻通道共享电极时，节点对地电势可累积，器件实现需要相应多节点驱动。

图1　S2 智能窗薄膜结构与差分驱动示意。(a) 层序及整数厚度，示意图中极薄层放大显示；(b) 两个 DAST 单元的共享电极节点；(c) 潜在智能窗应用。应用图不代表已经计算建筑能耗或室内热舒适度。

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2.2 光学求解与评价指标

采用相干传输矩阵法计算反射、透射与吸收。相同空气端口下互易性给出正反功率透射相等，因而

$$A_F=1-R_F-T,\quad A_B=1-R_B-T,\quad \Delta A=A_F-A_B=R_B-R_F.$$

可见透射率采用 D65 与明视觉函数联合加权，太阳吸收差采用项目 AM1.5 光谱加权：

$$T_{\mathrm{lum}}=\frac{\int_{400}^{780}T(\lambda)D_{65}(\lambda)\bar y(\lambda)\,d\lambda}{\int_{400}^{780}D_{65}(\lambda)\bar y(\lambda)\,d\lambda},\qquad \Delta A_{\mathrm{sol}}=\frac{\int_{400}^{2500}[A_F(\lambda)-A_B(\lambda)]I_{\mathrm{AM1.5}}(\lambda)\,d\lambda}{\int_{400}^{2500}I_{\mathrm{AM1.5}}(\lambda)\,d\lambda}.$$

本文的太阳指标覆盖 400–2500 nm，不能等同于完整太阳光谱积分。对所考察电压态集合定义

$$T_{\mathrm{lum,min}}=\min_s T_{\mathrm{lum}}^{(s)},\quad \Gamma=\max_s\Delta A_{\mathrm{sol}}^{(s)}-\min_s\Delta A_{\mathrm{sol}}^{(s)},\quad M_{\mathrm{rev}}=\min\left(\max_s\Delta A_{\mathrm{sol}}^{(s)},-\min_s\Delta A_{\mathrm{sol}}^{(s)}\right).$$

吸收差和跨度以百分点报告。正反转裕度表示可达区间跨越零点。S0 没有电压调控，其调控跨度为零。

图2　S0 被动非对称腔的光谱响应。(a) 透射率；(b) 正、反向反射率；(c) 正、反向吸收率；(d) 复透射系数的展开相位。该相位不同于腔内往返累积相位。

2.3 等预算搜索与稳健性筛选

材料种类与层序固定，仅优化厚度。PMMA 范围为 20–200 nm，ITO 为 20–120 nm，介质间隔层为 10–400 nm。各主动结构采用相同随机种子组与候选预算，既有结构作为基线；粗网格搜索后采用 2 nm 光谱步长与五级、九级电压网格复核。初始搜索门槛为最低透射率 60%、反转裕度 2 个百分点；发现候选对扰动敏感后，第二轮将名义门槛提高到 63% 和 3 个百分点。该调整及两轮结果均保留，避免将调整后的结果解释为预先注册的唯一搜索。

最终候选对每个可优化层施加独立的 −5 至 +5 nm 整数扰动，以相同的有限样本检验透射和反转门槛。该筛选用于比较设计余量，不提供工艺统计良率；后续独立样本复核用于检查筛选样本选择带来的偏差。金属和 DAST 在本项扰动中保持固定。

3 结果与讨论

3.1 通道数量、透明性与结构代价

表1汇总最终比较结构在九级电压网格下的性能。

结构	最低加权可见光透射率（%）	调控跨度（pp）	反转裕度（pp）	总厚度（nm）
S0	70.75	0.00	−4.21	263
S1	63.02	7.58	3.76	650
S2	63.48	10.12	4.66	697
S3	63.72	10.73	3.88	1001
S4	63.17	13.31	3.56	1423

表1　统一模型下的 S0–S4 性能。 S0 的负裕度数值仅反映无源吸收差不跨零，不作为主动调控性能评分。

S2 以两个差分通道实现透明状态下的方向吸收反转。相较旧版透明性优先 S2，最低透射率由 66.85% 降至 63.48%，调控跨度由 10.07 增至 10.12 个百分点，反转裕度由 2.19 增至 4.66 个百分点，总厚度由 707 减至 697 nm。新结构的选择依据是保持接近原有跨度的同时增大反转余量，未将透射率下降解释为全面性能提升。S4 的最终跨度为 13.31 个百分点，总厚度为 1423 nm。S4 的跨度较 S2 提高约 31.5%，但厚度增加约 104.2%，驱动通道数由两个增加到四个。因此不能把 S4 描述为没有明显增益。结构选择应结合表1中的实际增益与膜厚、节点数共同讨论；有限搜索中的差异不足以证明双通道具有普遍最优性。

图3　S0–S4 的透明性、方向调控与结构代价。(a) 电压网格内最低加权可见光透射率；(b) 太阳方向吸收差的调控跨度；(c) 可达吸收差区间；(d) 总厚度和膜层数。数据采用整数厚度和九级差分电压网格。

3.2 透明性、颜色质量与候选筛选

可见光透射谱的形状决定透射光颜色，仅报告积分透射率无法完整评价视觉质量。本文同时展示色坐标与一般显色指数，以区分透射量和光谱保真度。S2 在 81 个电压状态中的一般显色指数为 95.07–98.88。计算采用 Colour Science 0.4.1 的 CIE 13.3 实现和 380–780 nm、5 nm 间隔光谱；独立光谱计算与 MATLAB 零偏透射谱最大绝对差为 0.000163。显色计算以 D65 入射光经薄膜后的光谱为输入，不能代替真实室内照明条件下的视觉实验。

图4　S2 的透明度与颜色质量。(a) 极端吸收差状态的可见透射谱；(b) D65 透射光的 CIE 1931 色坐标；(c) 各工作态透射率和太阳方向吸收差；(d) 透射 D65 光谱的 CIE 13.3 一般显色指数。显色指数与透射色偏不是同一个评价量。

搜索结果呈现透明度与调控跨度之间的取舍。最大跨度候选往往接近透射门槛；为名义性能保留余量后，可提高对有限厚度偏差的容忍度。图5中的离散非支配集合只代表已经计算的候选。不同金属组合的前期搜索用于说明材料选择的影响，其结果不替代本轮固定 Ni/Ag 条件下的通道数比较。

图5　有限候选集合的筛选依据。(a) 搜索中已计算候选的性能分布；(b) 满足透射与反转门槛的离散非支配候选；(c) 前期独立有限预算金属组合搜索结果，仅作材料选择背景；(d) 最终 S2 的局部间隔层扫描。候选散点基于粗波长和电压网格，主结构符号基于细网格；不将其称为连续全局 Pareto 前沿。

3.3 电压驱动的方向吸收反转及物理来源

双通道电压共同改变各 DAST 层的传播相位，进而改变前后界面的反射及金属和电极中的场强分布。吸收差零线将电压平面划分为正向和反向优先吸收区域。同一电压状态仍满足正反透射互易性，方向吸收反转不等同于光隔离。

图6　S2 的电压响应。(a) 固定第二通道电压时的太阳方向吸收差；(b) 两通道电压平面中的吸收差；(c) 最大和最小吸收差对应的正反吸收谱；(d) 加权可见光透射率。黑线表示吸收差为零的边界。

逐层能流分解将太阳吸收分配到实际有损材料。由于模型令 DAST 消光系数为零，其作用主要体现为相位调节；吸收变化由其他有损层的场分布变化产生。局域场图提供特定波长下的辅助解释，宽带积分贡献仍以逐层吸收数据为准。

图7　S2 的耗散来源与局域场。(a,b) 两个极端状态的逐层太阳加权吸收；(c,d) 540 nm 处正、反入射局域电场强度。540 nm 为统一诊断波长，未将其预设为该结构的谐振峰。

3.4 增透覆盖层、厚度扰动与角度适用范围

PMMA 覆盖层通过改变外部界面与腔体的干涉匹配影响透射。删除一侧或两侧覆盖层的消融比较保持内部结构固定，因此反映当前结构中覆盖层的贡献，而非每种覆盖方式分别重新优化后的性能上限。

图8　双侧 PMMA 增透层的贡献。(a) 四种覆盖方式下最低加权可见光透射率；(b) 各方案最低透射态的反射、吸收与透射分配；(c) 调控跨度和反转裕度；(d) 两侧 PMMA 厚度局部扫描。不同方案的最低透射态可能对应不同电压。

在未参与筛选的 100 组独立留出扰动中，S1–S4 均保持吸收方向反转；同时满足最低透射率 60% 和反转裕度 2 个百分点的样本数分别为 96、100、100、100。S2 的最差透射率为 61.36%，最差反转裕度为 3.03 个百分点。S1 的最低裕度为 1.68 个百分点，说明其尚未在全部留出样本中达到所设裕度门槛。S2 全部留出样本的五级与九级电压网格所得三项指标差值为零，该结果仅说明两种离散网格之间的一致性。独立厚度扰动与角度响应揭示标称性能之外的适用条件。有限扰动样本通过门槛不能证明所有厚度组合均通过；TE/TM 角度结果也不能直接推广到包含完整 DAST 各向异性的器件。当前模型尚未纳入粗糙度、超薄金属成膜连续性、界面层、非相干厚玻璃基底以及实际电极漏电和片电阻。智能窗节能潜力仍需与热学及建筑模型耦合验证。

图9　S2 的厚度扰动和角度响应。(a) 可优化层独立整数厚度扰动下的透射率与跨度；(b) 反转裕度分布；(c,d) TE/TM 偏振下的角度响应。扰动保持 Ni、Ag 和 DAST 厚度固定，不能据此推出包含全部工艺误差的制造良率。

4 结论

本研究在固定材料与层序规则下，将多通道电光薄膜的透明性、方向吸收反转和结构代价纳入统一比较。等预算搜索显示，通道增加的收益依赖优化目标，不能预设更多通道必然无效。双通道结构提供可行的透明度与调控能力折中，而最终选择需同时考虑厚度、驱动节点和扰动余量。结论适用于本次数值模型与有限搜索空间，后续实验标定与更完整的电光和热学建模将决定器件应用边界。

本文件为基于本轮数据的中文初稿。参考文献需在投稿前逐条核验并补入，当前不将未核验的文献元数据作为正式参考文献表。原始材料文件及计算代码保留在项目中；色度与显色数据来源说明见计算脚本和本轮验证报告。

附录：最终比较结构的整数厚度

S0： PMMA 87 / Ni 6 / HfO2 84 / Ag 6 / PMMA 80 nm。

S1： PMMA 58 / Ni 6 / HfO2 290 / ITO 83 / DAST 100 / ITO 29 / SiO2 13 / Ag 6 / PMMA 65 nm。

S2： PMMA 57 / Ni 6 / HfO2 52 / ITO 32 / DAST 100 / ITO 87 / DAST 100 / ITO 20 / SiO2 178 / Ag 6 / PMMA 59 nm。

S3： PMMA 62 / Ni 6 / HfO2 50 / ITO 28 / DAST 100 / ITO 93 / DAST 100 / ITO 82 / DAST 100 / ITO 119 / SiO2 179 / Ag 6 / PMMA 76 nm。

S4： PMMA 65 / Ni 6 / HfO2 331 / ITO 109 / DAST 100 / ITO 62 / DAST 100 / ITO 108 / DAST 100 / ITO 49 / DAST 100 / ITO 39 / SiO2 186 / Ag 6 / PMMA 62 nm。