CN107942540B - 一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件及其制备方法，包括衬底、金属层、相变材料层、介质层、金属纳米结构层、保护层。本发明通过金属‑相变材料‑介质‑金属结构之间电磁波的相互耦合作用和电磁波在两层金属结构上产生的电磁响应，在相变材料发生相态变化时可实现色彩的动态变化以及器件工作波段的调控，且色彩可实时反映出工作波段的变化以及灰度调制的程度。本发明结构简单，易于加工和使用，可实现单一结构器件多功能化。
Description
技术领域
本发明属于色彩显示与光调制的技术领域，具体涉及一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件及其制备方法。
背景技术
传统的彩色显示技术采用色彩吸收材料如染料、色素等进行光谱滤波显色。但此类材料具有相对较低使用寿命、较为复杂的制备工艺、存在色彩串扰等问题，造成色彩吸收材料在高分辨显示、成像等应用上面临较大的挑战。纳米技术与纳光子学等学科的兴起使得人工纳米结构如超材料、超表面成为显色领域的一种新技术。更为重要的是通过调控纳米结构的结构尺寸、形貌、周期等可以改变结构所呈现出的色彩。对比传统的显色技术，通过结构产生的色彩即结构色，具有更高的亮度、更小的尺寸、不褪色等特性，因而在彩色显示、成像技术、防伪技术上具有很大的优势。此外，具有色彩动态调控能力的结构更是结构色中一个重要发展方向，然而目前大部分结构色工作中色彩缺乏有效的动态调控能力或者需要特定的条件。与此同时，多功能型器件因其可实现宽带、多波段光吸收、光调制、光探测等功能，且能大幅提高器件使用效率、降低整体生产成本等优势而被广泛应用于各领域。常见多功能器件大多数采用级联结构，但是由于级联结构使得器件制备工艺相较于单一功能器件复杂，级联结构之间的对准精度等问题进一步降低了器件可靠性。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于相变材料的相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件及其制备方法，在相变材料相态发生变化过程中可实现可见光动态显色，红外波段工作波段产生光调制效应。所设计器件采用多物理模式协同作用以实现该器件的多功能性，可在不增加加工工艺难度的情况下大大提高器件的使用范围。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，包括光功能元件阵列和控制电路，其特征在于，所述光功能元件包含超构材料结构，所述超构材料结构至少包括金属纳米结构层和金属反射镜层，所述金属纳米结构层和金属反射镜层之间设有介质层与相变材料层。
作为可行的实施方案之一，所述超构材料结构还包括衬底和/或透明保护层，并且，所述衬底、金属反射镜层、相变材料层、介质层、金属纳米结构层和透明保护层沿设定方向依次分布。
进一步的，所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层至少包括金、铂、银、铜、铝、钛中的任意一种形成的单一金属层或任意两种以上形成的合金层。
进一步的，所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层包括两种以上单一金属层、两种以上合金层或一种以上单一金属层与一种以上合金层层叠形成的叠加结构。
进一步的，所述金属纳米结构层包括一维或者二维光栅，所述光栅的周期为100-1000纳米，厚度为5-150纳米。
进一步的，所述金属反射镜层的厚度在50纳米以上，优选在200纳米以下。
进一步的，所述介质层的厚度为3-100纳米，材质包括但不限于二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化硅、氟化镁或硒化锌。
进一步的，所述用于形成相变材料的材料可选自且不限于硫族化合物、过渡金属氧化物等，如钒氧化物(VOx，配比取决于化学计量)、锗锑碲合金(GexSbyTez，配比取决于化学计量)、银铟锑碲化合物(AgInSbTe)等，并且该材料可单独或以组合的方式来使用。
进一步的，所述透明保护层主要由对入射波低吸收的材料形成，所述对入射波低吸收的材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅或氧化铝。
进一步的，所述基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底；
(2)通过金属薄膜沉积法在衬底上制备金属反射镜层；
(3)通过薄膜沉积法在金属反射镜层上制备相变材料层和介质层；
(4)通过薄膜沉积法和微纳加工方法在介质层上制作金属纳米结构层；
(5)通过薄膜沉积方法在金属纳米结构层上制备透明保护层；
(6)通过微纳加工方法制备互联电极。
本发明基于相变材料构建了一种新型的具有可调彩色显示的红外光调制技术，其中，超构材料的电磁特性主要依赖于亚波长结构本身，具有很大的设计自由度，可以在较大波长范围实现吸收峰的控制。
而且，通过优化设计亚波长结构可以使得超构材料的有效介电常数和磁导率在特定波长都接近于自由空间的介电常数和磁导率，进而获得零反射。
优选的，通过将超构材料前述亚波长结构和反射镜结合，还可以实现特定波段电磁波的完全局域。
又及，根据相变材料的相变特性，其晶体组成方式相应发生了变化，如二氧化钒从呈现介质态的单斜晶系结构变为呈现金属态的金红石晶系结构。由第一性原理分析可得，当相变材料结构晶系发生变化时其折射率会发生明显变化。
在本发明中，通过外加电压或光照射，可以使得相变材料在电场、光场或焦耳热作用下发生相态变化，从而获得相变材料折射率的电(热)调控，进而实现可见光波段的器件的色彩变化，红外反射光强的灰度调制以及波段调制。
此外，本发明的具有动态可调色彩显示的红外光调制器不需要类似于多级联结构器件制备工艺，可以通过薄膜沉积和微纳加工集成在控制电路上，实现完全的集成，因此可以获得大阵列显色光调制器的低成本制作，且可直接采用色彩对红外工作状况进行标定以替代昂贵的红外光谱仪。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(a)本发明采用多模式协同作用，器件制备简单；
(b)本发明可实现单一器件结构多功能化；
(c)本发明可通过器件外观色彩直接判断调制状态；
(d)本发明可通过器件外观色彩直接判断器件实时温度。
附图说明
图1为本发明一可选实施方案中基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件的纵向剖面图；
图2为本发明一可选实施方案中基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件的纵向剖面图；
图3为本发明一可选实施方案中基于采用一维光栅结构的具有动态色彩显示的光调制器件的俯视图；
图4为本发明一可选实施方案中基于采用二维光栅结构的具有动态色彩显示的光调制器件的俯视图；
图5为本发明一可选实施方案中基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件的工作状态图；其中，图5(a)为工作状态的反射光谱图，图5(b)为工作状态的器件外观色彩。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其主要由光功能元件阵列和控制电路组成，其中，光功能元件包含超构材料结构，所述超构材料结构至少包括金属纳米结构层和金属反射镜层以及两者之间的介质层与相变材料层。
本发明的具有动态色彩显示的光调制器件的调制原理是基于偏压或光照射下相变材料层相态变化过程中材料折射率的改变，利用器件的多物理模式协同作用，从而实现色彩的变化以及调制窄带吸收峰的位置，实现特定波长光波在高反射与高吸收间的连续变化，进而获得反射光强的调制。
在本发明的一较为优选的实施方式中，参阅图1，该基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件包括衬底00、金属反射镜层11、相变材料层22、介质层33、金属纳米结构层44和透明保护层55。根据不同情况可以分别或者同时去掉衬底00和透明保护层55，构成整个器件(参阅图2)。另外，相变材料层22和介质层33的位置可以互换。通过设计超构材料结构使其在入射波的波长位置在调制器不加偏压时具有低反射。
光功能元件形成二维(图3)或者一维(图4)阵列单元，并且可以独立寻址，每个单元的色彩及反射光强调制由控制电路。
其工作原理是，特定波长的入射电磁波66入射到光功能元件阵列，光功能元件上的超构材料结构优化在此波长处高吸收，且此时器件呈现出一定的色彩；在金属纳米结构层44和金属反射镜层11或者直接在金属反射镜层11加上偏压后或者外部调制光照射后，相变材料层22因相态变化引起折射率的改变，进而改变了入射光波长处的吸收值，并且吸收值的变化随外加偏压的大小变化，从而获得从光功能元件反射光强度的调制，或者，也可理解为，超构材料结构的低反射峰位因此发生改变，在入射波的波长位置的反射光实现了强度调制，继而，通过独立控制光功能元件阵列上每个单元的偏压，可以获得空间的光调制能力，与此同时其结构色彩也随着折射率变化而发生改变。
优选的，该具有动态色彩显示的光调制器件可包括衬底00、金属反射镜层11、相变材料层22、介质层33、金属纳米结构层44与透明保护层55，其中金属反射镜层11、相变材料层22和介质层33以及金属纳米结构层44构成超构材料结构。
进一步的，所述衬底00优选硅，并制备了控制电路。
进一步的，所述金属反射镜层11和金属纳米结构层44的金属材料可选用但不限于金、铂、银、铜、铝、钛等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构。
进一步的，所述金属纳米结构层44为一维光栅或者二维光栅，周期为100-2000纳米，厚度为5-100纳米。
进一步的，所述金属反射镜层11的厚度不少于50纳米。
进一步的，所述用于形成相变材料层22的材料可选自且不限于硫族化合物、过渡金属氧化物等，如钒氧化物(VOx，配比取决于化学计量)、锗锑碲合金(GexSbyTez，配比取决于化学计量)、银铟锑碲化合物(AgInSbTe)等，并且该材料可单独或以组合的方式来使用。
进一步的，所述介质层33可选用但不限于二氧化硅、氮化硅、氟化镁和硒化锌等，厚度为5-100纳米。
进一步的，所述透明保护层55为入射光低吸收材料，如氮化硅、二氧化硅、氧化铝等。
本发明的另一个方面提供了一种制备前述具有动态色彩显示的光调制器件的方法，包括：在衬底上制备控制电路，然后制备金属反射镜、介质层、相变材料层，然后再加工形成金属纳米结构层和透明保护层，并进行电互联。
进一步的，作为较为优选的实施方案之一，该制备方法可以包括如下步骤：
(1)利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底；
(2)通过金属薄膜沉积的方法在衬底上制备金属反射镜层；
(3)在金属反射镜层上通过薄膜沉积方法制备相变材料层和介质层；
(4)在介质层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作金属纳米结构层；
(5)在金属纳米结构层上通过薄膜沉积方法制备透明保护层；
(6)通过微纳加工方法制备互联电极。
综述之，本发明基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件结构简单，集成度高，易于制作，成本低廉，能实现高速调制，调制深度易于调控，且能通过色彩反映出红外工作波段的调制效果。
下面结合若干具体实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：请继续参阅图1和图3，本实施例基于超构材料结构的空间光调制器包括带有控制电路的衬底00(硅)、金属反射镜11(银)、相变材料层22(二氧化钒)、介质层33(氮化硅)、金属纳米结构层44(银)和透明保护层55(二氧化硅)。器件结构选取如下：金属纳米结构层44厚度为70纳米，并且是二维光栅结构，金属栅边长为220纳米，周期为440纳米；相变材料层22厚度为20纳米；介质层33厚度为5纳米；金属反射镜11厚度为70纳米；透明保护层55厚度为100纳米。由于金属纳米结构层44具有对称性，因此本实施例的空间光调制器对于正入射的各偏振光都具有同样的效果，如图5所示，当二氧化钒为介质态时，器件呈现出绿色，其红外工作波长在2.224微米处，光功能元件的反射率为0.12；当二氧化钒为金属态时，器件呈现出宝石蓝色，且在2.224微米处反射率为0.80。调制深度达到0.68。当二氧化钒在介质态-金属态之间变化时，光功能元件的反射率在0.12到0.8之间变化，可以实现灰度调节。由于光功能元件阵列中各单元可独立寻址，因此整个光调制器可以获得反射光强度的空间调制，并且可由色彩直接反映。
本实施例由如下制备方法实现：
(1)利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底；
(2)通过金属薄膜沉积的方法在衬底上制备金属反射镜层；
(3)在金属反射镜层上通过薄膜沉积方法制备介质层和相变材料层；
(4)在相变材料层上通过薄膜沉积和微纳加工方法制作金属纳米结构层；
(5)在金属纳米结构层上通过薄膜沉积方法制备透明保护层；
(6)通过微纳加工方法制备互联电极。
本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟悉该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，包括光功能元件阵列和控制电路，其特征在于：所述光功能元件包含超构材料结构，所述超构材料结构至少包括金属纳米结构层(44)和金属反射镜层(11)，所述金属纳米结构层和金属反射镜层之间设有介质层(33)与相变材料层(22)；
所述超构材料结构还包括衬底(00)和透明保护层(55)，并且，所述衬底、金属反射镜层、相变材料层、介质层、金属纳米结构层和透明保护层沿设定方向依次分布；其工作原理是，特定波长的入射电磁波(66)入射到光功能元件阵列，光功能元件上的超构材料结构优化在此波长处高吸收，且此时器件呈现出一定的色彩；在金属纳米结构层(44)和金属反射镜层(11)或者直接在金属反射镜层(11)加上偏压后或者外部调制光照射后，相变材料层(22)因相态变化引起折射率的改变，进而改变了入射光波长处的吸收值，并且吸收值的变化随外加偏压的大小变化，从而获得从光功能元件反射光强度的调制，或者，也可理解为，超构材料结构的低反射峰位因此发生改变，在入射波的波长位置的反射光实现了强度调制，继而，通过独立控制光功能元件阵列上每个单元的偏压，可以获得空间的光调制能力，与此同时其结构色彩也随着折射率变化而发生改变。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层至少包括金、铂、银、铜、铝、钛中的任意一种形成的单一金属层或任意两种以上形成的合金层。
3.根据权利要求2所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层包括两种以上单一金属层、两种以上合金层或一种以上单一金属层与一种以上合金层层叠形成的叠加结构。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述金属纳米结构层包括一维或者二维光栅，所述光栅的周期为100-1000纳米，厚度为5-150纳米。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述金属反射镜层的厚度在50纳米以上。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述介质层的厚度为3-100纳米，材质包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化硅、氟化镁或硒化锌。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：用于形成所述相变材料为钒氧化物、锗锑碲合金。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件，其特征在于：所述透明保护层主要由对入射波低吸收的材料形成，所述对入射波低吸收的材料包括二氧化硅、氮化硅或氧化铝。
9.权利要求1-8中任一项所述基于相变材料的具有动态色彩显示的光调制器件的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底；
(2)通过金属薄膜沉积法在衬底上制备金属反射镜层；
(3)通过薄膜沉积法在金属反射镜层上制备相变材料层和介质层；
(4)通过薄膜沉积法和微纳加工方法在介质层上制作金属纳米结构层；
(5)通过薄膜沉积方法在金属纳米结构层上制备透明保护层；
(6)通过微纳加工方法制备互联电极。
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