[发明专利]一种基于Ge2Sb2Te5相变材料的可重构显示装置及方法

说明书

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系统构成。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，利用外部控制电极系统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。

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。通过外部控制电极系统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系统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。所述外部控制电极系统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：