CN110148609A - 一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Ge2Sb2Te5（GST）相变材料的可重构显示装置，该装置由周期性像素单元组成，每个像素单元由纳米铝盘阵列、二氧化硅薄膜、GST层、铝衬底和外部控制电极***构成。该装置在GST薄膜上制备周期性的纳米铝盘阵列，通过调整纳米铝盘阵列的直径和周期可改变器件的整体反射谱，从而使得每个像素单元显示出不同的颜色。此外，利用外部控制电极***可对每个像素单元的GST薄膜加温并使其处于晶态和非晶态之间的特定状态，实现对显示颜色的动态可重构调控。与现有的利用相变材料制作的显示装置相比，本发明具有色域广、分辨率高、能耗低、响应速度快和效率高等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Ge2Sb2Te5(GST)相变材料的可重构显示装置及方法，能够产生快速可调且丰富的颜色变化，可用于高分辨率显示技术，属于现代光学领域。
背景技术
相变材料是一种晶格结构会随着温度而发生改变的特殊材料，在外界电场或热刺激的直接作用下，材料内部的温度上升会导致内部结构由非晶态向晶态转化，并伴随折射率、电导率和杨氏模量等一系列材料物理性质的变化，被广泛应用于相变存储器和显示等相关技术。锗锑碲合金Ge2Sb2Te5（GST）是一种常用的相变材料，加热至150℃时它从非晶态转变为立方晶体，200℃时转变为六边晶体，并且在热源撤去后GST材料的晶格状态能够稳定保持不变。值得注意的是，通过将GST加热至熔点（650摄氏度）并快速冷却至室温，能够使得GST由晶态回复至非晶态。GST在非晶态和晶态之间切换的速度能够达到兆赫兹，因此被广泛应用于研制低功耗和高分辨率的动态显示器件。
然而，现有的基于GST的显示器件存在色域窄和饱和度低等问题，其根本原因在于GST薄膜所能显示的颜色受到GST在可见光波段折射率的限制。除了相变材料之外，金属微纳结构也是实现结构色的常用方法之一。当电磁波入射到金属与电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波。当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时，电磁场的能量将被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象被称为表面等离激元共振。在金属微纳结构中激发的表面等离激元能够吸收特定波长的可见光，从而导致结构色的产生。由于表面等离激元的共振频率受材料的结构和尺寸等因素的影响，通过改变微纳结构的形貌可实现对器件反射谱线和结构色的有效调控，但也存在无法重构化等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有GST显示技术中存在的色域窄饱和度低等局限性，提出一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置及方法，利用金属微纳结构自身的表面等离激元特性对装置的反射谱线进行调控，实现了大范围的动态显色。通过外部控制电极***精确控制单个像素单元GST的晶化过程，实现色彩显示的动态重构。通过改变金属微纳结构的形貌特征，可以调节表面等离激元的共振模式，从而对器件的显示颜色进行有效调控。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置。由周期性像素单元组成，每个像素单元由纳米铝盘阵列、二氧化硅薄膜、Ge2Sb2Te5（GST）薄膜、铝衬底和外部控制电极***构成所述的纳米铝盘阵列、上层二氧化硅薄膜、GST层、下层二氧化硅薄膜、铝衬底从上至下依次分布。所述外部控制电极***可对上层二氧化硅薄膜和下层二氧化硅薄膜的电极输入电信号，用于GST层的加温，从而实现GST材料由非晶态向晶态的转化。
作为本发明的优选，所述像素单元的周期为9微米；所述纳米铝盘阵列的半径在50-100纳米范围内，周期在250-400纳米范围内，厚度为60纳米，具体参数可根据拟生成的色彩选定；所述上层二氧化硅薄膜的厚度为50 纳米；所述GST层的厚度为10 纳米；所述下层二氧化硅薄膜的厚度为140 纳米；所述铝衬底厚度为150纳米。
本发明还公开了在具体使用中，利用上述装置进行动态色彩生成的方法，包括以下步骤：
步骤一、将所要显示的图像拆分为一系列不同颜色的像素点，并依此确定单个像素单元中纳米铝盘阵列的半径和周期，单个像素单元周期为9微米，根据纳米盘周期调整单个像素点能容纳最多的纳米盘数量，例如纳米盘周期为300纳米时则单个像素包含30 30纳米铝盘阵列，纳米盘周期为400纳米时则单个像素包含2222纳米铝盘阵列。制备整体结构并在上层二氧化硅薄膜和下层二氧化硅薄膜上制备电极。
步骤二、将自然光从纳米铝盘阵列一侧照射本装置，即可肉眼从反射光中观察到彩色图像。
步骤三、通过外接逻辑电路确定每个像素单元中加载电信号的强度和时间。在特定时长电场的作用下，GST层会升温并处于非晶态与晶态之间的某个特定的稳定状态，造成GST层状态的变化并影响单个像素单元的共振状态，从而使结构显示出的色彩颜色发生改变。
步骤四、利用外部控制电极***将GST层加热至熔点（650摄氏度），并利用液氮使其快速冷却至室温，GST层将回复为非晶态。
步骤五、调整加载的电信号，重复步骤三和步骤四，即实现色彩的高速可重构显示。
有益效果：
1. 图像刷新速度快，GST能够在晶态和非晶态两种状态之间反复切换，切换频率达到兆赫兹量级，因此能够实现图像的快速重构。
2. 装置功耗低，本装置中，GST厚度仅有10纳米，因此在高温退火使GST从晶态变回非晶态过程中所需能耗较小，降低了整个装置的功耗。
3. 显示分辨率高，本发明每个像素单元在微米量级，极大提升了显示图像的分辨率。
4. 显示色域广，本发明可以通过调整纳米铝盘阵列的半径和周期来调制表面等离激元的共振频率，扩大了可显示的色域，接近于覆盖整个SRGB色彩空间。
5. 单个像素动态可调，通过改变GST的温度，可以精准地对每个像素点的颜色进行动态调控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为GST处于晶态和非晶态时折射率的实部(n)和虚部(k)在可见光波段的分布。
图3为当铝盘的半径和周期分别为100 纳米和350 纳米时，器件在GST处于晶态和非晶态时的反射谱，其中虚线为晶态GST的反射谱，实线为非晶态GST的反射谱。
图4为周期固定为350纳米，器件在GST从非晶态到晶态转换时颜色变化的CIE色度坐标图，其中8个取点表示纳米铝盘半径从50纳米增加到100纳米的均匀取点，其中实心点为晶态，空心点为非晶态。
图5为GST处于晶态时，调整铝盘的半径在50-100纳米之间变化，周期在250-400纳米变化时所能实现的颜色在1931 CIE-XYZ颜色***色度坐标图。图中的三角表示SRGB色彩空间，是衡量色域的重要标准。
图6为GST处于非晶态时，调整铝盘的半径在50-100纳米之间变化，周期在250-400纳米变化时所能实现的颜色1931 CIE-XYZ颜色***色度坐标图。图中的三角表示SRGB色彩空间，是衡量色域的重要标准。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置，由周期性像素单元1组成，每个像素单元由纳米铝盘阵列2、上层二氧化硅薄膜3、Ge2Sb2Te5（GST）层4、下层二氧化硅薄膜5、铝衬底6、和外部控制电极***7构成。所述像素单元1的周期为9微米；所述纳米铝盘阵列2的半径在50-100纳米范围内，周期在250-400纳米范围内，厚度为60纳米，具体参数可根据拟生成的色彩选定；所述上层二氧化硅薄膜3的厚度为50纳米；所述GST层4的厚度为10纳米；所述下层二氧化硅薄膜5的厚度为140纳米；所述铝衬底6厚度为150纳米；所述外部控制电极***7可对上层二氧化硅薄膜3和下层二氧化硅薄膜5的电极输入电信号，用于GST层4的加温，从而实现GST材料由非晶态向晶态的转化。
通过调整纳米铝盘阵列2的半径和周期可以改变其表面等离子共振状态，对结构反射谱和颜色产生影响，将所要显示的图像拆分为一系列不同颜色的像素点，并依此确定单个像素单元中纳米铝盘阵列2的半径和周期，单个像素单元周期为9微米，根据纳米盘周期调整单个像素点能容纳最多的纳米盘数量，例如纳米盘周期为300纳米时则单个像素包含3030纳米铝盘阵列，纳米盘周期为400纳米时则单个像素包含2222纳米铝盘阵列。制备器件并在上层二氧化硅薄膜3和下层二氧化硅薄膜5上制备电极。将自然光从纳米铝盘阵列2一侧照射本装置，即可肉眼从反射光中观察到彩色图像。
图2给出了GST处于晶态和非晶态时折射率的实部(n)和虚部(k)在可见光波段的分布， GST在温度变化时导致处于晶态和非晶态之间的特定状态，因而折射率的实部(n)和虚部(k)也相应地产生变化。图3给出了当铝盘的半径和周期分别为100 纳米和350 纳米时，器件在GST处于晶态和非晶态时的反射谱，可以看出，GST层4状态的变化导致器件的反射谱的变化。图4给出了周期固定为350 纳米，器件在GST从非晶态到晶态转换时颜色变化的CIE色度坐标图，其中8个取点表示纳米铝盘半径从50纳米增加到100纳米的均匀取点，其中实心点为晶态，空心点为非晶态。可以看出，GST晶体状态的改变对结构颜色的变化产生巨大影响。因此通过外接逻辑电路确定每个像素单元7中加载电信号的强度和时间。在特定时长电场的作用下，GST层4会升温并处于非晶态与晶态之间的某个特定的稳定状态，造成GST层4折射率的变化并影响单个像素单元的共振状态，从而使结构显示出的色彩颜色发生改变。然后利用外部控制电极***7将GST层4加热至熔点（650摄氏度），并利用液氮使其快速冷却至室温，GST层4将回复为非晶态。调整加载的电信号，重复上述两个步骤，即实现色彩的高速可重构显示。图5和图6分别表示GST处于晶态和非晶态时，调整铝盘的半径在50-100纳米之间变化，周期在250-400纳米变化时所能实现的颜色在1931 CIE-XYZ颜色***色度坐标图，由此可见，本显示装置的每个像素能够实现宽广的色域，可以覆盖SRGB空间的绝大部分（由图5和图6中的三角区域表示）。除此以外，本显示装置还具有动态可调、分辨率高、能耗低、响应速度快和效率高等优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置，其特征在于：由周期性像素单元（1）组成，每个像素单元包括：纳米铝盘阵列（2）、上层二氧化硅薄膜（3）、GST层（4）、下层二氧化硅薄膜（5）、铝衬底（6）、外部控制电极***（7）；所述的纳米铝盘阵列（2）、上层二氧化硅薄膜（3）、GST层（4）、下层二氧化硅薄膜（5）、铝衬底（6）从上至下依次分布，所述外部控制电极***（7）可对上层二氧化硅薄膜（3）和下层二氧化硅薄膜（5）的电极输入电信号，用于GST层（4）的加温，从而实现GST材料由非晶态向晶态的转化。
2.根据权利要求1所述的一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置，其特征在于：所述像素单元（1）的周期为9微米；所述纳米铝盘阵列（2）的半径在50-100纳米范围内，周期在250-400纳米范围内，厚度为60纳米；所述上层二氧化硅薄膜（3）的厚度为50纳米；所述GST层（4）的厚度为10纳米；所述下层二氧化硅薄膜（5）的厚度为140纳米；所述铝衬底（6）厚度为150纳米。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置的可重构显示方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将所要显示的图像拆分为一系列不同颜色的像素点，并依此确定单个像素单元中纳米铝盘阵列（2）的半径和周期，单个像素单元周期为9微米，根据纳米盘周期调整单个像素点容纳的纳米盘数量，制备器件并在上层二氧化硅薄膜（3）和下层二氧化硅薄膜（5）上制备电极；
步骤二、将自然光从纳米铝盘阵列（2）一侧照射本装置，即可肉眼从反射光中观察到彩色图像；
步骤三、通过外接逻辑电路确定每个像素单元（7）中加载电信号的强度和时间，在特定时长电场的作用下，GST层（4）会升温并处于非晶态与晶态之间的某个特定稳定状态，造成GST层（4）状态的变化并影响单个像素单元的共振状态，从而使结构显示出的色彩颜色发生改变；
步骤四、利用外部控制电极***（7）将GST层（4）加热至熔点，并利用液氮使其快速冷却至室温，GST层（4）将回复为非晶态；
步骤五、调整加载的电信号，重复步骤三和步骤四，即实现色彩的高速可重构显示。
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- 2019-05-07 CN CN201910376386.9A patent/CN110148609A/zh active Pending
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