[发明专利]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

说明书

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(VO_x，配比取决于化学计量)、锗锑碲合金(GexSbyTe_z，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。