一种基于相变材料的显示器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于相变材料的显示器件，包括一系列像素点，每个像素点包括沉积在衬底上的反射层、沉积在所述反射层上的隔离层、沉积在所述隔离层上的固态相变层和沉积在所述固态相变层上的覆盖层；反射层在可见光范围内拥有80％以上的反射率，用于提供背面反射；隔离层用于调节整个器件的反射率；固态相变层在电压或者激光驱动下可以在晶态和非晶态之间可逆转变，引起相变材料折射率的变化，从而使得每个像素点的颜色发生改变；覆盖层用于接收外部施加的电压。大量的像素点可以通过空间上的结构堆叠形成显示阵列。
【专利说明】
一种基于相变材料的显示器件
技术领域
[0001]本发明属于显示器件领域，更具体地，涉及一种基于相变材料的显示器件。
【背景技术】
[0002]在显示技术领域有许多引人注目的进步，例如便携式计算机和通信设备。其中一些显示技术例如背光式彩色显示器功耗高且制备难度大。虽然别的技术可以提供无背光的黑白显示，但是他们的响应速度慢，所以不适合显示视频，并且缺少彩色显示。而且这些技术都很难生成高分辨率的图像。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相变材料的显示器件，现有技术的显示器件大多采用的是低分子液晶，其分子长2nm?3醒，直径约0.5nm，但利用这种分子级别的材料制成的显示器，其响应速度只能达到毫秒级，且其器件大小只有微米级，所以导致响应速度慢、分辨率低。
[0004]本发明提供了一种基于相变材料的显示器件，包括一系列像素点，其每个像素点包括沉积在衬底上的反射层、沉积在所述反射层上的隔离层、沉积在所述隔离层上的固态相变层和沉积在所述固态相变层上的覆盖层;所述反射层在可见光范围内拥有80%以上的反射率，用于提供背面反射;所述隔离层用于调节整个器件的反射率;所述固态相变层用于在电压或者激光驱动下使像素点的颜色进行转换;所述覆盖层用于接收外部施加的电压；在电压或者激光驱动下所述固态相变层可以在晶态和非晶态之间可逆转变，引起相变材料折射率的变化，从而使得每个像素点的颜色发生改变。
[0005]更进一步地，所述隔离层的厚度可以根据显示需要的反射率值来确定。
[0006]更进一步地，所述固态相变层的折射率在外加电压或激光诱导下在晶态和非晶态之间转变。
[0007]更进一步地，所述固态相变层包括一层或多层不同的相变材料，通过分别对每层相变材料的状态进行单独控制使得所述显示器件呈现多种颜色。
[0008]更进一步地，所述的相变材料包括下列硫系化合物及其合金或过渡金属氧化物，包括但不限于:GeTe，SbTe ,BiTe ,InSb ,InSe ,GeSb ,SbSe ,GaSb ,GaSb ,GeSbTe ,AgInSbTe,InSbTe，AgSbTe，VO，NbO。其中原子百分比可变。
[0009]更进一步地，所述固态相变层的材料还包含至少一种掺杂剂。
[00?0]更进一步地，所述固态相变层包括两层，两层的材料分别为GeTe和Sb2Te3。
[0011 ]更进一步地，所述固态相变层的厚度小于60nm。
[0012I更进一步地，所述固态相变层的厚度小于10nm。
[0013]更进一步地，所述覆盖层和所述隔离层对光透明。
[0014]更进一步地，所述覆盖层和隔离层的材料为透明电极，如铟锡氧化物。
[0015]更进一步地，所述隔离层厚度范围为10nm-300nm。
[0016]更进一步地，所述显示器件包括一系列排成阵列的像素点，通过空间上的结构堆叠形成显示阵列。
[0017]通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，基于相变材料的显示器件的开关速度可以达到10ns以内，器件大小可以达到30nm以内，能够取得响应速度快，分辨率高的有益效果。
【附图说明】
[0018]图1(a)，图1(b)和图1(c)是本发明实施例的显示器件的结构示意图，其中图1(a)表不包含一层相变材料的结构，图1(b)表不包含两层相变材料的结构，图1(c)表不包含η层相变材料的结构。
[0019]图2(a)，2(b)和2(c)是根据本发明实施例的显示器件在不同厚度隔离层情况下的反射光谱图，其中，图2(a)两层相变材料均为非晶态，图2(b)其中一层相变层为非晶态，另一层相变层为晶态，图2(c)两层相变层均为晶态。
[0020]图3是根据本发明实施例显示器件在不同隔离层厚度和相变材料在非晶和晶态下的CIE色度坐标。
[0021]图4是根据本发明实施例显示器件在不同隔离层厚度下的光学反射率对比度；图4(a)为(此&-1^&)/1^^\100，图4(13)为(1^。-1^&)/1^3\100，其中1^^代表2.1和2.2均为非晶态时器件的反射率，Rca代表2.1为晶态，2.2为非晶态时器件的反射率，Rcc代表2.1和2.2均为晶态时器件的反射率。。
[0022]图5是根据本发明一个实施例的大型像素阵列的电极结构图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]本发明旨在提供一种新型的显示器件，其响应速度快，能显示彩色图像，易于制备并且拥有极高的分辨率。该器件与现有的商业电子工业技术相匹配，能制备在许多衬底上，例如柔性衬底。
[0025]本发明提供的显示器件包括:沉积在衬底上的反射层、沉积在反射层上的隔离层、沉积在隔离层上的固态相变层和沉积在固态相变层上的覆盖层;所述反射层在可见光范围内拥有80%以上的反射率，用来提供背面反射;所述隔离层的厚度可以根据需要的反射率值来改变;所述固态相变层的折射率可以在外加电压或激光诱导下在晶态和非晶态之间转变;所述的覆盖层可以作为器件的电极层，用于接收外部施加的电压。
[0026]由于固态相变层的折射率和隔离层的厚度影响干涉效应，所以器件的反射率在不同光波长下变化明显。在电压或者激光驱动下固态相变层可以在晶态和非晶态之间转变，引起相变材料折射率的变化，从而使得器件的颜色发生改变。不同厚度的隔离层使器件的反射率变化很大，从而器件的颜色也相应的变化。
[0027]所述固态相变层的折射率可以通过在覆盖层和隔离层上施加电压或者激光来可逆的改变;具体地，对相变材料施加一个长且强度中等的电压或者激光脉冲，相变材料的温度升高到结晶温度以上熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变;对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变。
[0028]固态相变层与覆盖层和隔离层之间通过电学接触。
[0029]固态相变层的材料可以为相变材料，包括下列硫系化合物及其合金或过渡金属氧化物，包括但不限于:GeTe，SbTe ,BiTe，InSb, InSe ,GeSb ,SbSe ,GaSb ,GaSb ,GeSbTe，AgInSbTe，InSbTe，AgSbTe，VO，NbO。其中原子百分比可变。
[0030]相变材料由所述列表的化合物或者合金混合而成。
[0031 ]相变材料可进一步包含至少一种掺杂剂。
[0032]固态相变层可进一步包含一层或者多层不同的相变材料;对每层相变材料的状态单独的开关或者选择可以使器件呈现多种颜色。
[0033]优选地，两层相变材料包含GeTe和Sb2Te3。其中GeTe的晶化温度比Sb2Te3的晶化温度高，所以GeTe和Sb2Te3各层的状态可以被单独的控制，从而实现多色的显示，并且GeTe和Sb2Te3的相变温度较低，转变所需的电压或者激光的幅值低，脉冲宽度也较窄，使得器件的功耗低，响应速度快。
[0034]其中，两层相变材料依次堆叠。
[0035]优选地，相变材料的总厚度少于60nm，较合适的总厚度为少于1nm。由于相变材料的厚度越大，相变材料晶化所需的能量也就越多，同时器件颜色的对比度也会越低，所以相变材料层的厚度在1nm以内较合适。
[0036]覆盖层和隔离层均可以为铟锡氧化物。
[0037]显示器件拥有一个视角面并且从视角面来看相变材料层对立面的隔离层可以作为电极层。
[0038]反射层为具有高反射率的材料，隔离层在反射层与相变材料之间。
[0039]反射层包括Au，Pt，Al，Cu和Ag，反射层的厚度大于50nm，较合适的厚度为大于10nm，以防止光源穿过反射层造成损耗。
[0040]其中，拥有一个视角面和一个光源，该光源用来照射相变材料。
[0041 ]其中，通过在电极上施加电流穿过相变材料，或者通过激光照射相变材料来控制相变材料的折射率。
[0042]显示器件包括一系列排成阵列的相变材料，其中每个相变材料的折射率都能够通过像素寻址来单独控制。
[0043]三维显示需要非常高的图像刷新率(每秒钟图像刷新的次数)来显示全动态的视频，而本发明所述的显示器件采用相变材料，其在晶态与非晶态之间的转变时间在10ns以内，该时间量级对应的图像刷新率为1MHz，超过目前的电视显示技术20000倍。显示分辨率是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素有多少。所述显示器件的尺寸可以达到30nm以内，比目前显示技术的像素点小了 1000倍，也就是说本发明所述的显示器件的分辨率超过目前的显示技术1000倍。
[0044]为了使本发明的目的，技术方案更加清楚，下面将结合【附图说明】对本发明作进一步地详细说明，显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]如图1(a)，1(b)和1(c)所示的本发明实施例提供一种反射式显示器件。图1(a)表不仅有一层固态相变层2，图1(b)表不有两层固态相变层2.1和2.2，图1(c)表不有η层固态相变层2.1……2.η。多层固态相变层中的每层相变材料的状态都可以单独的开关或者选择，从而器件可以呈现多种颜色。例如在两层固态相变层情况下，四种不同的光学特性可以通过两种相变材料的以下组合来实现:Amo-Amo，Cry_Amo，Amo_Cry和Cry-Cry (Amo为非晶态，Cry为晶态)，不同的组合对应不同的颜色。固态相变层的折射率能保持稳定并且在施加合适的电流或者激光情况下可以可逆的变化。固态相变层是一种相变材料，在晶态和非晶态之间转变的时候其折射率的实部和虚部会发生很大的变化。具体地，对相变材料施加一个长且强度中等的电压或者激光脉冲，相变材料的温度升高到结晶温度以上熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变。以下实施例均以图1(b)为例具体说明，在目前优选的包含两层相变材料的实施例中，相变材料分别为GeTe和Sb2Te3。其中GeTe的晶化温度比Sb2Te3的晶化温度高，所以GeTe和Sb2Te3各层的状态可以被单独的控制，从而实现多色的显示，并且GeTe和Sb2Te3的相变温度较低，转变所需的电压或者激光的幅值低，脉冲宽度也较窄，使得器件的功耗低，响应速度快。
[0046]如图1(b)，在目前优选的包含两层材料的实施例中，从下到上依次是反射层5，隔离层4，相变层2.2，相变层2.1和覆盖层I。其中反射层5的材料为金或铂。覆盖层I的上表面8构成该显示器件的可视面，反射层5是背部反射。如图1(a)，1(b)，1(c)所示光从可视面8进入和穿出。由于相变材料2.1，2.2的折射率和隔离层4的厚度影响干涉效应，所以器件的反射率在不同的光波长下变化很大。
[0047]隔离层4和覆盖层I均可以传输光，而且应该尽可能的透明。在本实施例中，隔离层4和覆盖层I还可以作为电极，用来在相变材料2.1和2.2上施加电压。所以隔离层4和覆盖层I应该具有透明导电的特性，如氧化铟锡(IT0)。
[0048]图1(&)，1(13)，1(幻中的结构生长在衬底上(没有在图中显示)，如硅片，5102，或者柔性衬底，如聚合物薄膜。器件各层用溅射方法来沉积，并且保证沉积温度在100°c以内。同时各层可以通过传统技术如光刻或其他技术来得到图案。
[0049]在优选的实施例中，相变材料2.1和2.2，分别为Sb2Te3和GeTe，其厚度小于lOOnm，优选的厚度小于10nm，如6或者7nm。由于相变材料的厚度越大，相变材料晶化所需的能量也就越多，同时器件颜色的对比度也会越低，所以相变材料层的厚度在1nm以内较合适。隔离层4的厚度典型范围为1nm到300nm，其厚度取决于所需要的颜色和光学性能。覆盖层I的厚度为30nm。
[0050]在本实施中的相变材料2.1和2.2可以通过施加电流或者激光曝光来可逆相变。相变材料的沉积态为非晶态。优选的电压为2V，4V，6V和8V，优选的激光功率为15mW，20mW，25mW和30mW。不同的电压或者激光功率使得不同的相变材料相变，从而使器件产生不同的光学特性。在本实施例中，三种不同的光学特性可以通过两种相变材料的以下组合来实现:Amo-Amo ,Cry-Amo和Cry-Cry (Amo为非晶态，Cry为晶态)。在本实施例中阐明了这三种不同组合的器件光学特性，另外一种Amo-Cry组合的器件光学特性并未说明，但也在本专利的保护范围之类。
[0051 ]正如之前阐明的那样，当相变材料在晶态和非晶态之间转变的时候其折射率变化很大。相变材料在两种状态下均是稳定的。这意味着当显示器处在稳定的状态下时(非转变)，可以移除电压或者激光，所以该器件的功耗很低。转换速度同样很快，小于100ns，比人类眼镜可以感知的速度快好几倍。
[0052]图2(a)，图2(b)和图2(c)为图1(b)所示器件的反射率。在隔离层4特定的厚度下，图2(a)，图2(b)和图2(c)展现了根据入射光波长反射率在不同相之间的变化。同时也表明了不同的隔离层4厚度对反射率波峰和波谷位置的影响。
[0053]因此，图1(b)的器件就会出现特别的颜色并且通过选择不同的隔离层4的厚度，器件的颜色也不同。同时器件的颜色会随着相变材料2.1和2.2晶态和非晶态的转变而变化。
[0054]图3表示了另外一种器件颜色表示方式。图3展现了CIE部分色度空间并且画出了器件颜色的xy色度坐标，所有颜色均在2度视场和D50光源下。每个隔离层4厚度由图3右边的符号标出。每个符号下色度空间中均有三个不同的点，分别对应相变材料2.1和2.2的不同状态。2.1为晶态2.2为非晶的符号左边有*，2.1和2.2均为晶态的符号左边有#，2.1和2.2均为非晶态的符号左边无其它标志。从图中可以看出，不同隔离层4的厚度可以生成范围广泛的颜色。并且，在大部分情况下，相变材料2.1和2.2不同相的组合的颜色差别很大。
[0055]图4(a)和图4(b)展现了层2.1和2.2不同相之间的光学反射率对比。图4(a)为(此&-1^^)/1^^\100，图4(13)为(1?(^-1^3)/1^3\100，其中1^^代表2.1和2.2均为非晶态时器件的反射率，Rca代表2.1为晶态，2.2为非晶态时器件的反射率，Rcc代表2.1和2.2均为晶态时器件的反射率。从图中可以看出，通过选择不同隔离层4的厚度，特定波长的反射率可以得到很大的调制。
[0056]图1(b)的显示器件能够制备得到均匀的颜色，同时也可以转换得到高对比的颜色，或者通过改变反射率得到更暗或更亮的颜色。在一种形式的显示器中，许多如图1(b)的结构互相接壤形成阵列，并且每个结构能够被单独控制施加电压或者激光，组成整个显示器中的一个像素点。在另外一种形式的显示器中，每个像素点由几个如图1(b)的结构(称为子像素)互相接壤组成，但是像素点中的每个子像素隔离层4的厚度均不同。通过这种方法像素点中的每个子像素能够在三种颜色之间转换，像素点能展现出更宽泛的颜色而不仅仅在三种颜色之间转换。像素点中不同厚度的子像素个数可以为3个或者更多。
[0057]另外一种增强的实施例为相变材料层2.1和2.2不需要在完全晶态和完全非晶态之间转换。通过比如20%晶化，40%晶化等可以得到混合相。部分晶化可以简单的通过在转换过程中限制电流的最大值或者激光功率来实现。完全非晶和完全晶化间的材料的折射率取决于部分晶化的程度。典型地可以得到16和64个混合相之间的相态。并且在合适的控制下可以得到更多的相，如1024个。
[0058]图5是根据本发明一个实施例的显示器件电极阵列的俯视图。衬底10用来作为每个像素的反射层。12.1，12.2，12.3，……，12.η是水平电极。这些电极组成了隔离层4。固态的相变层排成图案沉积在隔离层4上面。接下来制备一系列垂直电极11.1,11.2,11.3,11.4，……，11.η。反射层和固态相变层只需要在水平和垂直电极的交叉点存在。所有的制备，沉积和图案化都可以使用已知的光刻技术。
[0059]每个水平和垂直电极的交叉点组成了如图1(b)所示的堆叠结构。在制备过程中，隔离层/水平(底)电极的厚度分别不同，以至于每个像素点可以表现出如图2到4所示的不同的颜色范围。通过在水平和垂直电极上施加合适的电压，像素中的相变材料可以按预期转变。然而，阵列中别的像素没有受到影响，所以像素的寻址很简单。
[0060]虽然在某些实施例中使用ITO作为优选的透明电极，但这仅仅是个例子，其它合适的材料，例如碳纳米管，或者超薄金属，如银等也可以。
[0061]在前面描述的实施例中，Sb2Te3和GeTe作为相变材料层2.1和2.2，但是这不是必须的，许多其它的合适材料也可以使用，包括硫系化合物及其合金或过渡金属氧化物，包括但不限于:GeTe，SbTe ,BiTe，InSb，InSe ,GeSb，SbSe ,GaSb ,GaSb ,GeSbTe ,AgInSbTe，InSbTe，AgSbTe，V0，Nb0。这些材料不同的化学计量比也是可以的，例如GexSbyTez;另外一种合适的材料是Ag2IruSb76Ten(AIST)t3此夕卜，材料可以包含一种或多种掺杂，如C或N。
[0062]转变机制不仅仅局限于施加电流脉冲诱导加热，其它任何电磁场诱导的加热都可以，例如激光脉冲，或者在与相变材料热接触的相邻层使用电阻加热的方法诱导加热也是可以的。
[0063]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于相变材料的显示器件，包括一系列像素点，其特征在于，每个像素点包括沉积在衬底上的反射层、沉积在所述反射层上的隔离层、沉积在所述隔离层上的固态相变层和沉积在所述固态相变层上的覆盖层； 所述反射层在可见光范围内拥有80%以上的反射率，用于提供背面反射;所述隔离层用于调节整个器件的反射率;所述固态相变层用于在电压或者激光驱动下使像素点的颜色进行转换;所述覆盖层用于接收外部施加的电压;在电压或者激光驱动下所述固态相变层可以在晶态和非晶态之间可逆转变，引起相变材料折射率的变化，从而使得每个像素点的颜色发生改变。2.如权利要求1所述的显示器件，其特征在于，所述隔离层的厚度可以根据显示需要的反射率值来确定。3.如权利要求1或2所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层的折射率在外加电压或激光诱导下在晶态和非晶态之间转变。4.如权利要求1-3任一项所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层包括一层或多层不同的相变材料，通过分别对每层相变材料的状态进行单独控制使得所述显示器件呈现多种颜色。5.如权利要求1-4所述的显示器件，其特征在于，所述的相变材料包括下列硫系化合物及其合金或过渡金属氧化物，包括但不限于:GeTe，SbTe ,BiTe, InSb，InSe ,GeSb, SbSe，GaSb，GaSb，GeSbTe，AgInSbTe，InSbTe，AgSbTe，VO，NbO。6.如权利要求4或5所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层的材料还包含至少一种掺杂剂。7.如权利要求4或5所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层包括两层，两层的材料分别为GeTe和Sb2Te3。8.如权利要求1-7任一项所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层的厚度小于60nmo9.如权利要求8所述的显示器件，其特征在于，所述固态相变层的厚度小于10nm。10.如权利要求1-9任一项所述的显示器件，其特征在于，所述覆盖层和所述隔离层对光透明。11.如权利要求1-10任一项所述的显示器件，其特征在于，所述覆盖层和隔离层的材料为透明电极，如铟锡氧化物。12.如权利要求10或11所述的显示器件，其特征在于，所述隔离层厚度范围为1nm-300nmo13.如权利要求1-12任一项所述的显示器件，其特征在于，所述显示器件包括一系列排成阵列的像素点，通过空间上的结构堆叠形成显示阵列。
【文档编号】G02F1/01GK105938261SQ201610428495
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】缪向水, 季宏凯, 童浩
【申请人】华中科技大学