阅读说明：本技术 用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器及方法 (Fabry-Perot cavity filter and method for dynamic color regulation ) 是由 蒋向东 李明成 许文瑞 王继岷 李伟 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器及制备方法和调谐方法,从上至下依次包括第一层金属薄膜层、第二层非导电电介质层、第三层透明导电氧化物层、第四层金属层、第五层衬底层；所述第二层非导电电介质层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；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。(The invention provides a Fabry-Perot cavity filter for dynamic color regulation and control, a preparation method and a tuning method, which sequentially comprise a first metal film layer, a second non-conductive dielectric layer, a third transparent conductive oxide layer, a fourth metal layer and a fifth substrate layer from top to bottom; the second non-conductive dielectric layer is used as a barrier layer to block metal ion migration of a material with a dielectric constant of being close to 0 after electrochemical metallization; the third transparent conductive oxide layer is made of a material with a dielectric constant of 0, and the refractive index can be changed under the action of an electric field, so that the refractive index of the Fabry-Perot cavity body is adjusted; the invention realizes the change of the effective refractive index of the ENZ material based on the ECM effect, thereby changing the resonance wavelength of the FP cavity, effectively solving the problems and completing the memory of the resonance condition while removing the voltage.)

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

本发明属于显示技术领域，具体是涉及一种用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器及其制备方法和调谐方法。

背景技术

在显示技术领域中，我们可以采用等离子体结构来产生不同的色彩，但是一旦结构确定，其产生的色彩也就固定不变。等离子体结构在显示技术中具有结构薄、稳定、分辨率高等特点。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。

FP腔一般是由两个高反射率的金属层和中间层腔体形成的一种特殊的光学结构。入射光束在腔内可发生多光束干涉效应，满足相位匹配条件的光波则会产生共振，共振波长和腔体长度和腔体折射率有关。

然而大多数FP腔选择采用调节腔体长度来调节共振波长，主要方式有两种：第一种是通过制备不同腔体长度的FP腔，但是这样无法实现真正意义上的动态调节，第二种是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。

通过改变腔体折射率来改变共振波长的FP腔鲜有报道，究其原因，是因为可作为FP腔体材料的折射率不易改变。介电常数趋于0的材料(Epsilon-near-zero)ENZ材料是指在特定波长区间，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

本发明针对上述法布里-珀罗(FP)腔通过调节腔体长度来调节共振波长和共振强度的问题，提出了一种利用介电常数趋于0的材料(ENZ材料)作为腔体材料的FP腔，通过施加电压动态调节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。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器，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作12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(ENZ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。

作为优选方式，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。

作为优选方式，所述第二层非导电电介质层12为二氧化钛层，TiO₂作为非导电电介质使忆阻单元形成电场，TiO₂层厚度为50-100nm。

作为优选方式，所述第三层透明导电氧化物层13为二氧化硅掺银薄膜层,SiO₂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。

作为优选方式，所述第四层金属层14为Au层，Au层厚度为200-300nm。

作为优选方式，所述第五层衬底层15为Si衬底层，其厚度为15mm。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种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，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TiO2，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。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种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，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。

本发明的有益效果为：目前大多数关于FP腔动态调节的报道，都是通过机电控制两金属板之间的空腔厚度来调整FP腔的共振模式，但是这种会存在机械损耗，并且腔长的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

图1为本发明的结构立体示意图；

图2为本发明提供的结构俯视图；

图3为本发明提供的电压调制单元结构示意图；

图4为本发明电压调制过程示意图；

图5为本发明仿真结果图。

1为法布里-珀罗腔；2为Ag累积层，11为第一层金属薄膜层；12为第二层非导电电介质层；13为第三层透明导电氧化物层；14为第四层金属层；15为第五层衬底层；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实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。

一种用于动态色彩调控的法布里-珀罗腔滤波器，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作12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。

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。

所述第二层非导电电介质层12为二氧化钛层，TiO₂作为非导电电介质使忆阻单元形成电场，TiO₂层厚度为50-100nm。

所述第三层透明导电氧化物层13为二氧化硅掺银薄膜层,SiO₂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。

所述第四层金属层14为Au层，Au层厚度为200-300nm。

所述第五层衬底层15为Si衬底层，其厚度为15mm。

本实施例还提供一种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，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TiO2，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。

本实施例还提供一种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，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。

具体的，本实施例中，如图1和图2所示，每一个器件经过相互垂直的交叉阵列(CROSSBAR)的结构设计可以看作若干个FP腔控制单元，不同的控制单元能够实现不同的调节效果，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。

如图3所示，一个FP腔控制单元，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和第五层衬底层15。所述第一层金属薄膜层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。

如图4所示，电压调制有效折射率主要发生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。考虑到Ag纳米丝的形成是一个逐渐的过程，并且第二层非导电电介质层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。

图5为本发明的FDTD(时域有效差分法)仿真结果，入射光为垂直入射。

当FP腔控制单元未施加正电压时，第三层透明导电氧化物层13并未形成Ag纳米丝，此时有效折射率对应图5中有效折射率a所示的曲线，其共振峰位置为508.5nm，反射率为0.04。

当FP腔控制单元初步施加正电压时，第三层透明导电氧化物层13的Ag纳米丝初步形成，对应图5中有效折射率b所示的曲线，其共振峰位置为558.7nm，反射率为0.12。

当FP腔控制单元进一步施加正电压时，第三层透明导电氧化物层13的Ag纳米丝进一步形成，对应图5中有效折射率c所示的曲线，其共振峰位置为633.1nm，反射率为0.01。

当FP腔控制单元再进一步施加正电压时，第三层透明导电氧化物层13的Ag纳米丝完全形成，对应图5中有效折射率d所示的曲线，其共振峰位置为705.5nm，反射率为0.03。

当FP腔控制单元施加负电压时，第三层透明导电氧化物层13的Ag纳米丝逐渐断裂，从而实现了共振位置和共振强度的调节和记忆，多个FP腔控制单元的调节效果能够相互叠加，使得整个器件的调节效果更加明显、灵活。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，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。