CN110850606A - 一种基于相变材料的动态可调结构色器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相变材料的动态可调结构色器件，包括自下而上依次设置的衬底、相变材料结构和金属结构；其中，该相变材料结构为周期性微纳米结构，该微纳米结构选自以下一种或多种：圆形、矩形、正方形；该金属结构由金属薄膜直接沉积于该相变材料结构之上形成，该金属结构的厚度小于该相变材料结构的厚度。本发明还提供了该动态可调结构色器件的制备方法和应用。本发明将相变材料应用于结构色显示领域，利用相变材料光学性质可调的特点，实现了在外部激励(如电、热等)下动态可调的结构色。整个器件的制备具有加工方法简单、灵活的特点，器件性能具有可逆调控的优势，对于动态结构色的实际应用和主动调控器件的制备具有重要意义。
Description
技术领域
本发明总体上涉及结构色显示领域，具体涉及一种基于相变材料的动态可调结构色器件及其制备方法和应用。
背景技术
传统的显色技术是色素(如染料和色素剂)显色，色素的化学性质不稳定且对环境不友好，着色效果对温度、湿度以及光照等因素敏感。除此之外，色素显色无法实现高的分辨率。受自然界中存在的结构色启发，如鸟类鲜艳的羽毛、蝴蝶的翅膀颜色等，利用人工设计的微纳米结构实现结构色成为一项新的显色技术。结构色是基于光与周期性纳米结构的相互作用实现的，具有化学性质稳定、环保、高分辨率等优点，在印刷、显示、防伪等方面具有广泛的应用前景。
目前，人们通过多种多样的结构设计实现了结构色，比如金属镂空结构、金属纳米光栅结构、等离激元波导结构和谐振腔等。然而目前大部分的结构色器件为静态显示，无法实现动态的结构色调控。少数动态结构色器件通过液晶、电致变色聚合物等可调制材料来实现对光学响应的调制。然而，这些动态调制手段的可控能力有限，无法实现连续可调的动态结构色。以上因素限制了结构色的进一步应用，因此需要新的调制手段获得有效的、连续的动态可调结构色显示技术。
发明内容
因此，本发明的目的是针对现有结构色显示技术中的缺陷，提供了一种基于相变材料的动态可调结构色器件及其制备方法和应用。
在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“相变材料”是指：随温度变化而物理性质发生改变(电学、光学性质等)的物质。
术语“结构色”是指：微纳米结构与光波发生折射、漫反射、衍射或干涉等相互作用产生的各种颜色，又称物理色。
术语“VO2”是指：二氧化钒，一种相变过程可逆的相变材料。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于相变材料的动态可调结构色器件，一种基于相变材料的动态可调结构色器件，包括自下而上依次设置的衬底、相变材料结构和金属结构；其中，所述相变材料结构为周期性微纳米结构，所述微纳米结构选自以下一种或多种：圆形、矩形、正方形；所述金属结构是金属薄膜直接沉积于所述相变材料结构之上形成的，所述金属结构的厚度小于所述相变材料结构的厚度。
在一些示例中，所述相变材料结构为周期性微纳米结构阵列，通过改变结构的尺寸，可以实现不同波长的反射峰，从而得到不同颜色的结构色。
在一些示例中，所述金属薄膜在外加电流产生的欧姆热使得其下层的所述相变材料结构的光学特性发生改变，从而使得显示的颜色发生变化。
在一些示例中，所述衬底的材料选自包括以下材料的组：石英、硅片、蓝宝石，以及它们的组合；所述相变材料选自以下材料的组：GST、VO2，以及它们的组合；所述金属结构的材料选自以下材料的组：金、银、铝、铬、铂、铜以及它们的组合。
在一些示例中，所述衬底的材料是硅片，所述相变材料是VO2，所述金属结构的材料是铝。
根据另一示例性实施例，提供一种动态可调结构色器件的方法，包括：(1)在衬底上沉积相变材料薄膜，并进行退火；(2)在所述相变材料薄膜上旋涂光刻胶，进行曝光，制备周期性的微纳米结构阵列；(3)在所述微纳米结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱，制备掩膜结构；(4)对所述掩膜结构进行刻蚀，并去除残余的金属掩膜材料；(5)在步骤(4)所得结构上沉积金属薄膜，得到所述动态可调结构色器件。
在一些示例中，步骤(1)中，所述沉积为物理沉积方法或化学沉积方法，所述退火为真空退火炉或管式炉退火。
在一些示例中，所述沉积为磁控溅射法，所述退火为管式炉退火。
在一些示例中，步骤(2)中，所述曝光为电子束曝光法、极紫外曝光法、或纳米压印法。
在一些示例中，所述曝光为电子束曝光法。
在一些示例中，步骤(3)和(5)中，所述沉积为物理沉积方法或化学沉积方法。
在一些示例中，所述沉积为电子束蒸发法。
在一些示例中，步骤(4)所述刻蚀为干法刻蚀中的一种，优选为离子束刻蚀；所述去除掩膜材料的方法为湿法刻蚀，具体的腐蚀液依据掩膜材料具体而定。
在一些示例中，所述干法刻蚀为离子束刻蚀。
根据另一示例性实施例，提供一种动态可调结构色设备，其中，所述设备包括上述动态可调结构色器件的任一个。
根据另一示例性实施例，提供上述动态可调结构色器件中任一个在制备彩色显示设备和/或光学编码中的应用。
本发明的动态可调结构色器件可以具有但不限于以下有益效果：
1.本发明将相变材料应用于结构色领域，利用相变材料光学性质可调的特点，实现了在外部激励(如电、热等)下动态可调的结构色。整个器件的制备具有加工方法简单、灵活的特点，器件性能具有可逆调控的优势，对于动态结构色的实际应用具有重要意义。
2.相变材料在发生结构相变后，相应的光学、电学等物理性质会发生改变，可以实现对器件的主动调控。而且，相变过程可以在多种外部激励下发生，如光、电、热等，具有多样的调制手段，对制备主动调控器件具有重要的参考意义。
附图说明
通过结合附图对本申请实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1示出了本发明的实施例1中制备的动态可调结构色器件的工艺流程示意图，每一步工艺示意图的左图为垂直剖面图，右图为俯视图。
图2为实施例1得到的不同尺寸下的动态可调结构色器件的相变前(左)和相变后(右)的反射谱。
附图标记：
1、衬底；2、相变材料；3、光刻胶；4、金属掩膜材料；5、顶层金属材料。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
本发明的目的是提供一种基于相变材料的多手段可调的动态结构色器件，该器件可以通过光、电、热等多种外部激励手段实现动态彩色显示的目的。本发明将相变材料应用于结构色显示领域，利用相变材料光学性质可调的特点，实现了在外部激励(如电、热等)下动态可调的结构色。
具体地，动态可调结构色器件包括衬底、相变材料结构以及金属结构。
其中，衬底材料可以选自包括以下材料的组：石英、硅片、蓝宝石，以及它们的组合，优选地，衬底材料为硅片。
相变材料结构设置在衬底上，为周期性微纳米结构，在一些示例中，相变材料结构可以是圆形、矩形或正方形中的一种或多种。相变材料结构为周期性微纳米结构阵列，通过改变结构的尺寸，可以实现不同波长的反射峰，从而得到不同颜色的结构色。相变材料可以选自以下材料的组：GST、VO2，以及它们的组合，优选地，相变材料为VO2。
金属结构设置在相变材料结构上，具体地，通过金属薄膜直接沉积于所述相变材料结构上，其中，金属结构的厚度小于相变材料结构的厚度。金属薄膜在外加电流产生的欧姆热使得其下层的相变材料的光学特性发生改变，从而使得显示的颜色发生变化。金属结构材料选可以自以下材料的组：金、银、铝、铬、铂、铜以及它们的组合，优选地，金属结构材料为铝。
为了实现上述目的，本发明提供了一种动态可调的结构色器件的制备方法，在图1示出了该制备方法的工艺流程示意图，每一步工艺示意图的左图为垂直剖面图，右图为俯视图，具体步骤如下：
步骤S1.在衬底材料1上沉积相变材料薄膜2，并进行退火；
步骤S2.在步骤S1所得的相变材料薄膜上旋涂光刻胶3，进行曝光，制备周期性的微纳米结构；
步骤S3.在步骤S2所得结构上沉积金属薄膜4，并进行溶脱，制备掩膜结构；
步骤S4.对步骤S3所得的周期性结构阵列进行刻蚀，并去除残余的金属掩膜材料；
步骤S5.在步骤S4所得的相变材料微纳米结构上沉积金属薄膜5，得到最终的动态可调结构色器件。
可选地，步骤S1中所述的衬底材料为石英、硅片、或蓝宝石等中的一种。
可选地，步骤S1中所述的沉积方法为物理沉积方法或化学沉积方法中的一种，在一些示例中，沉积方法可为磁控溅射法。
可选地，步骤S1中所述的相变材料是指物理性质(如电学、光学性质等)随温度变化的材料，例如VO2、GST等。
可选地，步骤S1中所述的退火方法为真空退火炉、或管式炉退火等，优选地，退火方法为管式炉退火。
可选地，步骤S2中所述的曝光方法为电子束曝光法、极紫外曝光法、或纳米压印法等微纳加工方法，优选地，曝光方法为电子束曝光法。
可选地，步骤S2中所述的光刻胶依具体的曝光方法而定，例如电子束曝光使用电子束光刻胶。
可选地，步骤S2中制备的微纳米结构可以是圆形、矩形、或正方形等。
可选地，步骤S3中所述金属掩膜材料是指和相变材料具有高刻蚀比的材料，比如银、铬、铝、金等。
可选地，步骤S3中所述沉积方法为物理沉积方法或化学沉积方法中的一种，在一些示例中，沉积为电子束蒸发法。
可选地，步骤S4中所述的刻蚀采用离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀等干法刻蚀技术，优选地，刻蚀为离子束刻蚀。去除残余的金属掩膜材料的方法采用湿法刻蚀技术，具体的腐蚀液依据掩膜材料具体而定。
可选地，步骤S5中所述沉积方法为物理沉积方法或化学沉积方法，在一些示例中，沉积为电子束蒸发法。
可选地，步骤S5中的金属薄膜可以是金、银、铝等，其厚度小于相变材料的厚度。
本发明的工作原理：具有周期性微纳米结构的相变材料通过改变结构的尺寸，可以实现不同波长的反射峰，从而得到不同颜色的结构色。相变材料在电、热、光等外部激励下，其光学性质发生改变，导致反射峰的波长发生偏移，从而改变所显示的颜色，实现了可逆的动态可调结构色显示。
本发明的器件性能，其特点在于，将相变材料引入到结构色器件中，通过光、电、热等多种外部激励方式对相变材料的光学特性进行调控，从而实现动态的彩色显示。在本发明的一个优选实施例中，动态可调结构色器件的尺寸参数如下：相变材料VO2的厚度为90nm,相变材料圆盘结构的半径在40-100nm范围内变化，以显示不同颜色的结构色。金属铝直接沉积于相变材料之上，厚度为30nm。当顶层金属材料上外加电流或加热时，相变材料的光学性质随电流或温度的提高逐渐发生改变，从而使得光学响应波长发生移动，从而实现不同的颜色显示。
下面将结合具体实施例进行描述：
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
材料或试剂列表：
| 材料或试剂 | 购自 |
| 硅片衬底 | 浙江立晶硅材料有限公司 |
| PMMA光刻胶 | 北京汇德信科技有限公司 |
| PMMA显影液(MIBK:IPA＝3:1) | 北京汇德信科技有限公司 |
| V靶 | 北京有色金属研究总院 |
| 铬腐蚀液 | 国药集团化学试剂有限公司 |
| 丙酮 | 国药集团化学试剂有限公司 |
仪器列表：
| 仪器 | 型号 | 购自 |
| 磁控溅射镀膜机 | Peva-600E | 台湾凯柏 |
| 管式炉 | TL1200 | 南京博蕴通仪器科技有限公司 |
| 电子束曝光系统 | JBX-6300FS | 日本电子 |
| 电子束蒸发镀膜机 | FU-12PEB | 台湾富临科技工程股份有限公司 |
| 离子束刻蚀系统 | LKJ-1D-150 | 北京埃德万斯离子束技术研究所 |
实施例1
本实施例用于说明本发明动态可调结构色器件的制备方法。
下面结合具体的方法进行详细说明。
按照图1所示的工艺流程制备一种基于相变材料的动态可调结构色器件。
步骤1.利用磁控溅射法在硅衬底材料上沉积90nm的VO2相变材料薄膜。所述磁控溅射法所用的靶材为钒金属靶，采用直流源，溅射功率为100W，压强为7mTorr，生长温度600℃；之后，采用管式炉在Ar/H2氛围下进行退火，退火温度为450℃，退火时间为270min，Ar和H2的流量分别为80sccm和4sccm。
步骤2.在步骤1所得的相变材料薄膜上旋涂PMMA光刻胶，旋涂的转速为4000rpm，在180℃的热板上烘烤1min。采用电子束曝光方法在光刻胶上进行曝光，制备周期性的圆形阵列结构。曝光选用的模式为100kV-100pA的精细模式，剂量为1000uC/cm2，曝光区域面积为100um2。
步骤3.利用电子束蒸发系统在步骤2所得结构上沉积80nm的铬薄膜，并在丙酮溶液中进行溶脱，制备掩膜结构。铬薄膜的生长速率为0.1nm/s。
步骤4.对步骤3所得的周期性结构阵列进行4min的离子束刻蚀，并用商业铬腐蚀液去除残余的铬掩膜材料。离子束刻蚀的倾斜角为30°，离子束能量为300eV，刻蚀气体为氩气，压强为19mTorr。
步骤5.通过电子束蒸发系统在步骤4所得的相变材料微纳米结构上沉积30nm的铝薄膜，得到最终的可调结构色器件。铝薄膜的生长速率为0.3nm/s。
图2为实施例1得到的不同尺寸下的动态可调结构色器件的相变前(左)和相变后(右)的反射谱。如从图2可以看出结构色的调制效果，在相变前后，器件的反射峰发生明显的偏移，即显示的颜色发生改变。
综上所述，本发明将相变材料应用于结构色显示领域，利用相变材料光学性质可调的特点，实现了在外部激励(如电、热等)下动态可调的结构色。整个器件的制备具有加工方法简单、灵活的特点，器件性能具有可逆且连续调控的优势，对于动态结构色的实际应用和主动调控器件的制备具有重要意义。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化和修改。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (16)
1.一种基于相变材料的动态可调结构色器件，包括自下而上依次设置的衬底、相变材料结构和金属结构；其中，
所述相变材料结构为周期性微纳米结构，所述微纳米结构选自以下一种或多种：圆形、矩形、正方形；
所述金属结构是金属薄膜直接沉积于所述相变材料结构之上形成的，所述金属结构的厚度小于所述相变材料结构的厚度。
2.根据权利要求1所述的动态可调结构色器件，其中，所述相变材料结构为周期性微纳米结构阵列，通过改变结构的尺寸，可以实现不同波长的反射峰，从而得到不同颜色的结构色。
3.根据权利要求1所述的动态可调结构色器件，其中，所述金属薄膜在外加电流产生的欧姆热使得其下层的所述相变材料结构的光学特性发生改变，从而使得显示的颜色发生变化。
4.根据权利要求1所述的动态可调结构色器件，其中，
所述衬底的材料选自包括以下材料的组：石英、硅片、蓝宝石，以及它们的组合；
所述相变材料选自以下材料的组：GST、VO2，以及它们的组合；
所述金属结构的材料选自以下材料的组：金、银、铝、铬、铂、铜以及它们的组合。
5.根据权利要求4所述的动态可调结构色器件，其中，
所述衬底的材料是硅片，
所述相变材料是VO2，
所述金属结构的材料是铝。
6.一种制备权利要求1-5中任一所述的动态可调结构色器件的方法，包括：
(1)在衬底上沉积相变材料薄膜，并进行退火；
(2)在所述相变材料薄膜上旋涂光刻胶，进行曝光，制备周期性的微纳米结构阵列；
(3)在所述微纳米结构上沉积金属薄膜，并进行溶脱，制备掩膜结构；
(4)对所述掩膜结构进行刻蚀，并去除残余的金属掩膜材料；
(5)在步骤(4)所得结构上沉积金属薄膜，得到所述动态可调结构色器件。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤(1)中，所述沉积为物理沉积方法或化学沉积方法，所述退火为真空退火炉或管式炉退火。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述沉积为磁控溅射法，所述退火为管式炉退火。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤(2)中，所述曝光为电子束曝光法、极紫外曝光法、或纳米压印法。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述曝光为电子束曝光法。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤(3)和(5)中，所述沉积为物理沉积方法或化学沉积方法。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述沉积为电子束蒸发法。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤(4)所述刻蚀为干法刻蚀中的一种；所述去除掩膜材料的方法为湿法刻蚀。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述干法刻蚀为离子束刻蚀。
15.一种动态可调结构色设备，其中，所述设备包括如权利要求1-5中任一所述的动态可调结构色器件。
16.权利要求1-5中任一所述的动态可调结构色器件在制备彩色显示设备和/或光学编码中的应用。
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