用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器及方法转让专利
申请号 : CN202010719177.2
文献号 : CN111812908B
文献日 : 2021-12-10
发明人 : 蒋向东 , 李明成 , 许文瑞 , 王继岷 , 李伟
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:从上至下依次包括第一层金属薄膜层(11)、第二层非导电电介质层(12)、第三层透明导电氧化物层(13)、第四层金属层(14)、第五层衬底层(15);
其中,所述第一层金属薄膜层(11)用于将入射光引入法布里‑珀罗腔,并作为法布里‑珀罗腔的金属‑绝缘体‑金属结构中的上层金属层;
所述第二层非导电电介质层(12)作为法布里‑珀罗腔的金属‑绝缘体‑金属结构中的中间电介质层,并作为阻挡层阻挡介电常数趋于0的材料发生电化学金属化后的金属离子迁移;
所述第三层透明导电氧化物层(13)为介电常数趋于0的材料,在电场作用下能实现折射率的改变,从而调节法布里‑珀罗腔腔体的折射率;
所述第四层金属层(14)作为法布里‑珀罗腔金属‑绝缘体‑金属结构中的下层金属层;
最下面为第五层衬底层(15),在衬底上制备上述结构;
同时,第一层金属薄膜层(11)、第二层非导电电介质层(12)、第三层透明导电氧化物层(13)和第四层金属层(14)构成忆阻单元,其中第一层金属薄膜层(11)作为第一电极,第四层金属层(14)作为第二电极,第一层金属薄膜层(11)和第二层非导电电介质层(12)形成相互垂直的交叉阵列结构,第二层非导电电介质层(12)和第三层透明导电氧化物层(13)形成相互垂直的交叉阵列结构,第一电极与第二电极电连接,对忆阻单元施加电压完成对折射率的调控,撤去电压,折射率完成记忆。
2.根据权利要求1所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:所述第一层金属薄膜层(11)为Au,Au膜厚度保证入射光能够穿过Au薄膜进入FP腔,Au膜厚度为15‑30nm。
3.根据权利要求1所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:所述第二层非导电电介质层(12)为二氧化钛层,二氧化钛作为非导电电介质使忆阻单元形成电场,二氧化钛层厚度为50‑100nm。
4.根据权利要求1所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:所述第三层透明导电氧化物层(13)为二氧化硅掺银薄膜层,二氧化硅中预置的Ag掺杂体积分数为90%,二氧化硅掺银薄膜层存在介电常数实部区域0的区域,二氧化硅掺银薄膜层厚度为75‑150nm。
5.根据权利要求1所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:所述第四层金属层(14)为Au层,Au层厚度为200‑300nm。
6.根据权利要求1所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器,其特征在于:所述第五层衬底层(15)为Si衬底层,其厚度为15mm。
7.权利要求1至6任意一项所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)在第五层衬底层(15)上使用直流磁控溅射的方式沉积Au膜;
(2)在第四层金属层(14)上使用射频磁控共溅射的方式沉积二氧化硅掺银透明导电膜,使用掩模版对该层材料图形化;
(3)在第三层透明导电氧化物层(13)上使用直流磁控溅射的方式沉积二氧化钛,使用掩模版对该层材料图形化;
(4)在第二层非导电电介质层(12)上使用直流磁控溅射的方法沉积Ag薄膜,使用掩模版对该层材料图形化形成电极。
8.权利要求4所述的用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器的共振波长和共振强度的调谐方法,其特征在于包括如下步骤:在未施加电压的时候,滤波器对x1波长具有强烈的吸收,呈现出a颜色,通过电压装置对第四层金属层(14)施加正电压,第三层透明导电氧化物层(13)中Ag原子会发生电化学金属化,由于第三层透明导电氧化物层中预埋了Ag,相邻的Ag团簇相当于两个电极,Ag原子通过氧化还原反应会在Ag团簇之间会形成Ag纳米丝,导致第三层透明导电氧化物层的有效折射率发生变化,靠近第二层非导电电介质层和第三层透明导电氧化物层的界面处的Ag纳米丝形成会被阻挡在界面处,形成一层Ag层,此时第三层透明导电氧化物层的折射率随着Ag纳米丝的形成,折射率发生改变,对x2波长具有强烈的吸收,呈现出b颜色;随着进一步对第四层金属层施加正电压,第三层透明导电氧化物层中的Ag纳米丝进一步形成,折射率继续发生改变,此时对x3波长具有强烈的吸收,呈现出c颜色;
通过电压装置对第一层金属薄膜层(11)施加正电压,Ag原子继续发生电化学金属化效应,第三层透明导电氧化物层的Ag纳米丝开始逐渐断裂,折射率发生变化,对x2波长具有强烈的吸收,呈现出b颜色,随着进一步对第一层金属薄膜层(11)施加正电压,第三层透明导电氧化物层中形成的Ag丝完全断裂,折射率回到初始值,对x1波长具有强烈的吸收,呈现出a颜色。
说明书 :
用于动态色彩调控的法布里‑珀罗腔滤波器及方法
技术领域
背景技术
率高等特点。如何动态调节等离子体色彩是目前研究的热点,动态调节的思想大多都为改
变等离子体结构从而调节其强度或者波长,目前主要的调控方式主要基于:直接电化学控
制、可逆电化学沉积、偏振控制、可拉升嵌入式结构、相变材料、机电控制法布里‑珀罗(FP)
腔两金属之间的距离。本发明主要基于FP腔实现色彩的动态调节。
长和腔体长度和腔体折射率有关。
静电调节两金属板之间的距离,但是这种装置制作昂贵且制作方法复杂,并且机械装置寿
命会随着使用时间而减小。
在特定波长区间,材料的介电常数实部趋于0的材料。基于材料折射率的改变Δn=Δε/2(2
√ε),当ε趋于0时,理论上有限的介电常数变化就可以获得极大的折射率变化。偏压下的
ENZ材料中的金属离子,由于发生电化学金属化(ECM),还能实现折射率的动态调节和记忆。
因此基于上述技术,考虑设计一种基于ENZ材料的FP腔,可以通过改变共振波长来实现动态
调控色彩的功能。
发明内容
加电压动态调节ENZ材料折射率而调节共振波长和共振强度,以达到调节色彩的目的,并在
撤掉电压之后完成色彩的记忆。
层衬底层15;
金属离子迁移;
层作为第二电极14,第一层金属薄膜层11和第二层非导电电介质层12形成相互垂直的交叉
阵列(CROSSBAR)结构,第二层非导电电介质层12和第三层透明导电氧化物层13形成相互垂
直的交叉阵列结构,第一电极与第二电极电连接,对忆阻单元施加电压完成对折射率的调
控,撤去电压,折射率完成记忆。
化硅掺银薄膜层厚度为75‑150nm。
属化,由于第三层透明导电氧化物层中预埋了Ag,相邻的Ag团簇相当于两个电极,Ag原子通
过氧化还原反应会在在Ag团簇之间会形成Ag纳米丝,导致第三层透明导电氧化物层的有效
折射率发生变化,靠近第二层非导电电介质层和第三层透明导电氧化物层的界面处的Ag纳
米丝形成会被阻挡在界面处,形成一层Ag层,此时第三层透明导电氧化物层的折射率随着
Ag纳米丝的形成,折射率发生改变,对x2波长具有强烈的吸收,呈现出b颜色;随着进一步对
第四层金属层施加正电压,第三层透明导电氧化物层中的Ag纳米丝进一步形成,折射率继
续发生改变,此时对x3波长具有强烈的吸收,呈现出c颜色;
强烈的吸收,呈现出b颜色,随着进一步对第一层金属薄膜层11施加正电压,第三层透明导
电氧化物层中形成的Ag纳米丝完全断裂,折射率回到初始值,对x1波长具有强烈的吸收,呈
现出a颜色。
改变难免会引起器件结构的设计问题。本发明基于ECM效应实现ENZ材料的有效折射率的改
变,从而改变FP腔的共振波长,能有效解决上述问题,并且能够在撤去电压的同时,完成对
共振条件的记忆。
附图说明
具体实施方式
施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。
层衬底层15;
迁移;
层作为第二电极14,第一层金属薄膜层11和第二层非导电电介质层12形成相互垂直的交叉
阵列(CROSSBAR)结构,第二层非导电电介质层12和第三层透明导电氧化物层13形成相互垂
直的交叉阵列结构,第一电极与第二电极电连接,对忆阻单元施加电压完成对折射率的调
控,撤去电压,折射率完成记忆。
厚度为75‑150nm。
属化,由于第三层透明导电氧化物层中预埋了Ag,相邻的Ag团簇相当于两个电极,Ag原子通
过氧化还原反应会在在Ag团簇之间会形成Ag纳米丝,导致第三层透明导电氧化物层的有效
折射率发生变化,靠近第二层非导电电介质层和第三层透明导电氧化物层的界面处的Ag纳
米丝形成会被阻挡在界面处,形成一层Ag层,此时第三层透明导电氧化物层的折射率随着
Ag纳米丝的形成,折射率发生改变,对x2波长具有强烈的吸收,呈现出b颜色;随着进一步对
第四层金属层施加正电压,第三层透明导电氧化物层中的Ag纳米丝进一步形成,折射率继
续发生改变,此时对x3波长具有强烈的吸收,呈现出c颜色;
强烈的吸收,呈现出b颜色,随着进一步对第一层金属薄膜层11施加正电压,第三层透明导
电氧化物层中形成的Ag纳米丝完全断裂,折射率回到初始值,对x1波长具有强烈的吸收,呈
现出a颜色。
节效果,从而达到对整体调节效果的控制,同时CROSSBAR结构能够保证欧姆接触足够小。
膜层11,金属材料优选Au,为了使得光能够很好地透过第一层金属薄膜层11,Au的厚度不应
太厚,本实施例采用30nm的Au进行仿真研究。所述第二层非导电电介质层13优选TiO2,TiO2
在忆阻器中被用作为阻挡层,能够有效阻挡Ag离子的迁移,本发明采用50nm厚的TiO2薄膜
进行仿真研究。所述第三层透明导电氧化物层13优选SiO2掺Ag薄膜,在电场的作用下,第三
层透明导电氧化物层13中的Ag原子能够通过ECM效应实现迁移,达到调节第三层透明导电
氧化物层12有效折射率的目的,SiO2掺Ag薄膜也是一种典型的透明导电薄膜,适当的掺杂
量使得该薄膜在可将光波段存在ENZ区域,较小的介电常数改变,能够提供足够大的有效折
射率变化,增强调制效果;为了达到即透明又导电的效果,本发明采用30nm厚SiO2掺Ag薄
膜,初始掺杂量为Si02:Ag(90%)进行仿真研究。所述第四层金属层14优选Au层,为了使得
光能够有效的反射回腔体,本发明采用200nm厚的Au进行仿真研究。第五层衬底层15优选Si
衬底,厚度为15mm。电压调节装置置于第一层金属薄膜层11和第四层金属层14,初始正电压
作用于第四层金属层14,负电压作用于第一层金属薄膜层11。
电介质层12会对阻挡Ag原子的迁移,随着电压施加时间的增加,会在第二层非导电电介质
层12和第三层透明导电氧化物层13之间形成不同厚度的Ag累积层。当未施加电压时,记此
时FP腔腔体整体有效折射率为a。当初步施加正电压时,第三层透明导电氧化物层13中的Ag
向第二层非导电电介质层12迁移,并被阻挡在第二层非导电电介质层12和第三层透明导电
氧化物层13界面处,形成1nm厚的Ag累积层,此时第三层透明导电氧化物层13中的Ag纳米丝
初步形成,加上Ag累积层的作用,FP腔腔体整体有效折射率发生改变,此时有效折射率为b。
随着进一步施加正电压,第三层透明导电氧化物层13中的Ag纳米丝进一步形成,形成2nm厚
的Ag累积层,FP腔腔体整体有效折射率继续发生改变,此时有效折射率记c。再进一步施加
正电压,第三层透明导电氧化物层13中的Ag全部形成3nm厚的Ag累积层,此时第三层透明导
电氧化物层13中的Ag纳米丝完全形成,此时有效折射率记为d。施加反向电压后,第三层透
明导电氧化物层13的Ag纳米丝逐渐断裂,有效折射率也恢复到初始值。
为0.04。
互叠加,使得整个器件的调节效果更加明显、灵活。
此,凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成
的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。