CN112987443B - 基于石墨烯mems的色彩调制器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器及其制作方法。该色彩调制器包括上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层和石墨烯MEMS薄膜层，其中上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层构成光学微腔，当光学微腔的腔长设定为1000‑1160nm,具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式，从而可通过外加调制电压实现色彩的调节，也即，采用微腔技术和石墨烯调制技术制备得到色彩调制器，结构简单，调控率高，可在电压作用下对可见光波长范围内的光(颜色)进行调制，消除对RGB子像素的需求，在单个像素内即可实现单色光或多种混合色光的输出，从而降低功耗。该色彩调制器可应用于超高分辨率、超快调制和宽色域干涉调制器显示器。

Description

基于石墨烯MEMS的色彩调制器及其制作方法

技术领域

本申请涉及色彩调制技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器及其制作方法。

背景技术

传统LCD显示器的最小图像单元，即单个像素，实际上是由红(R)绿(G)蓝(B)三个子像素组成。三个子像素组合在一起就形成了我们看到的单个像素。这意味着，实际制作的分辨率将会是LCD显示器显示分辨率的三倍。这就为制作更高分辨率的显示设备造成了很大的难度。而随着虚拟现实(Virtual Reality,VR)日渐火热，超薄、高速和高分辨率是目前显示技术追求的一个发展方向。

结构色调制方案大多基于法布里-珀罗谐振腔及等离子体效应等。基于法布里-珀罗谐振腔的新型干涉式显示调制器能够通过微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)来调控谐振腔间隙的大小来获得可见光范围的色彩可调，但其缺点是鉴于外部控制系统的原因，不易集成化。基于等离子体效应的色彩调制设备大多不支持光谱的动态调控，且需要不同结构组合才能实现单个像素的功能，整体结构较复杂。

发明内容

本申请提供一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器及其制作方法，以解决现有技术中色彩调制器不能实现动态调控以及结构复杂等技术问题。

本申请的上述目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器，其包括：

平行设置的上反射镜和下反射镜；所述上反射镜和下反射镜均包括导电层；

设置于所述上反射镜和下反射镜的两端的绝缘支撑层，所述绝缘支撑层与所述上反射镜和下反射镜形成光学微腔；所述光学微腔内填充有空气；

设置于所述上反射镜和下反射镜之间的石墨烯MEMS薄膜层；所述石墨烯MEMS薄膜层的两端分别固定于所述绝缘支撑层；外部调制电压施加于所述石墨烯MEMS薄膜层以及所述上反射镜或者下反射镜的导电层之间，以使所述石墨烯MEMS薄膜层发生弯曲。

可选的，还包括设置于所述绝缘支撑层内的两个电极，两个电极的其中一个与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，另一个与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连接。

可选的，正电极与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，负电极与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连。

可选的，所述光学微腔的腔长为1000-1160nm,具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式。

可选的，所述石墨烯MEMS薄膜层由5层石墨烯层构成。

可选的，所述上反射镜和下反射镜均包括由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜。

可选的，所述多层介质布拉格反射镜由两种介质交替构成，两种介质的折射率分别为n₁和n₂，厚度分别为λ₀/4n₁和λ₀/4n₂，其中λ₀为特征波长，由可见光波段中点决定。

可选的，两种介质分别为氟化镁和硫化锌。

可选的，所述多层介质布拉格反射镜的周期为4。

第二方面，本申请实施例还提供上述基于石墨烯MEMS的色彩调制器的制作方法，包括：

采用离子注入工艺或高温化学气相沉积工艺制备得到石墨烯MEMS薄膜，以及采用非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式制备得到上反射镜和下反射镜；

在绝缘支撑层刻蚀出光学微腔，并在绝缘支撑表面覆盖石墨烯MEMS薄膜；

将绝缘支撑层与上反射镜和下反射镜进行键合得到所述色彩调制器。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请的实施例提供的技术方案中，色彩调制器包括上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层和石墨烯MEMS薄膜层，其中上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层构成光学微腔，当光学微腔的腔长设定为1000-1160nm,具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式，从而可通过对石墨烯MEMS薄膜层外加调制电压实现色彩的调节，也即，采用微腔技术和石墨烯调制技术制备得到色彩调制器，结构简单，调控率高，可在电压作用下对可见光波长范围内的光(颜色)进行调制，消除对RGB子像素的需求，在单个像素内即可实现单色光或多种混合色光的输出，从而能够降低功耗。并且，该色彩调制器可应用于超高分辨率、超快调制和宽色域干涉调制器显示器，具有很高的实用性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器的结构示意图；

图2为5层石墨烯在D65光源正入射下在1931CIE色度图上的色彩轨迹图；

附图标记：1-上反射镜；2-下反射镜；3-石墨烯MEME薄膜层；4-绝缘支撑层；5-光学微腔；6-正电极；7-负电极(接地)。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例

参照图1，图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的基于石墨烯MEMS的色彩调制器至少包括：

平行设置的上反射镜1和下反射镜2；上反射镜1和下反射镜2均包括导电层(图中未示出)；

设置于上反射镜1和下反射镜2的两端的绝缘支撑层4，绝缘支撑层4与上反射镜1和下反射镜2形成光学微腔5；光学微腔5内填充有空气；

设置于上反射镜1和下反射镜2之间的石墨烯MEMS薄膜层3；石墨烯MEMS薄膜层3的两端分别固定于绝缘支撑层4，外部调制电压施加于石墨烯MEMS薄膜层3以及所述上反射镜1或者下反射镜2的导电层之间，以使石墨烯MEMS薄膜层3发生弯曲。并且，如图1所示，墨烯MEMS薄膜层3将光学微腔5隔开为上微腔和下微腔。

在具体实现时，色彩调制器还包括设置于绝缘支撑层内的两个电极，两个电极的其中一个与石墨烯MEMS薄膜层相连接，另一个与上反射镜或者下反射镜的导电层相连接，从而通过两个电极将调制电压施加于石墨烯MEMS薄膜层和导电层之间。进一步的，应用中，如图1所示，可以设置为正电极6与石墨烯MEMS薄膜层相连接，负电极7与上反射镜或者下反射镜的导电层相连(图1中为负电极与下反射层的导电层相连)。如此设置，可以通过两个电极直接将外部的调制电压连接至石墨烯薄膜层和上反射镜或者下反射镜的导电层之间，便于整体结构的设置。

一些实施例中，光学微腔的腔长为1000-1160nm，且具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式。

此外，在一些实施例中，石墨烯MEMS薄膜层由5层石墨烯层构成。图2示出了5层石墨烯在D65光源(Artificial Daylight 6500K)正入射下在1931CIE色度图上的色彩轨迹图。其中主要工作原理是，石墨烯MEMS薄膜会随着调制电压发生弯曲，电压不同，则弯曲度不同，进而色彩调制效果不同。

此外，在一些实施例中，上反射镜和下反射镜均为由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜。

比如，当采用多层介质布拉格反射镜时，其可以由两种介质交替构成，两种介质的折射率分别为n₁和n₂，厚度分别为λ₀/4n₁和λ₀/4n₂，其中λ₀为特征波长，由可见光波段中点决定。也即，假设两种介质分别为第一介质和第二介质，第一介质的折射率为n₁，第二介质的折射率为n₂，则构成的多层介质布拉格反射镜的结构为：厚度为λ₀/4n₁的第一介质和厚度为λ₀/4n₂的第二介质依次交替。其中，交替周期可以为4。

在一具体实例中，上反射镜和下反射镜均为多层介质布拉格反射镜，由MgF₂(氟化镁)和ZnS(硫化锌)两种介质交替构成(其中，ZnS层即为上述的导电层)，其中，MgF₂的折射率为1.38，厚度为98nm；ZnS的折射率为2.5，厚度为55nm，上/下布拉格反射镜的周期均为4；上/下反射镜构成的填充有空气的光学微腔腔长约为1080nm；石墨烯MEMS薄膜的放置位置可设置为距离上反射镜为70nm或636nm；若为单层石墨烯则厚度为0.34nm，若为五层石墨烯则厚度为1.7nm，绝缘支撑层由SiO₂(二氧化硅)构成，宽度为20nm，制备得到的色彩调制器的中心波长为530nm。石墨烯薄膜直径约为10m，最大弯曲深度为400nm。

本申请的上述实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请的实施例提供的技术方案中，色彩调制器包括上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层和石墨烯MEMS薄膜层，其中上反射镜、下反射镜、绝缘支撑层构成光学微腔，当光学微腔的腔长设定为1000-1160nm,具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式，从而可通过对石墨烯MEMS薄膜层外加调制电压实现色彩的调节，也即，采用微腔技术和石墨烯调制技术制备得到色彩调制器，结构简单，调控率高，可在电压作用下对可见光波长范围内的光(颜色)进行调制，消除对RGB子像素的需求，在单个像素内即可实现单色光或多种混合色光的输出，从而能够降低功耗。并且，该色彩调制器可应用于超高分辨率、超快调制和宽色域干涉调制器显示器，具有很高的实用性。

此外，本申请实施例还提供上述基于石墨烯MEMS的色彩调制器的制作方法。其制作过程可将石墨烯MEMS薄膜的制作工艺和光学微腔的工艺分开制作，再将不同部件键合在一起，彼此之间的工艺及性能不会相互影响，从而达到色彩调制器的优异性能。

具体的，过程包括：

S1：分别制作石墨烯MEMS薄膜以及上反射镜和下反射镜：采用离子注入工艺或高温化学气相沉积工艺制备得到石墨烯MEMS薄膜，以及采用非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式制备得到上反射镜和下反射镜；

其中，制备石墨烯MEMS薄膜时，比如，可以利用CVD(Chemical VaporDeposition，化学气相沉积)在高纯度铜箔上生长2～5层石墨烯薄膜，在生长有石墨烯薄膜的铜箔表面旋涂甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶，将铜箔置于氯化铁溶液中腐蚀掉铜箔，再分别依次在去离子水、烯盐酸和丙酮清洗即可得到石墨烯薄膜。在制备上反射镜和下反射镜时，比如，采用非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式，在上/下反射镜层内形成4组高折射率和对比度的两层薄膜，即采用少量组数的薄膜实现高反射率，使得制作成本较低，外延工艺控制难度小。

S2：在绝缘支撑层刻蚀出光学微腔，并在绝缘支撑表面覆盖石墨烯MEMS薄膜；

具体的，首先，在绝缘支撑层内刻蚀出下光学微腔，绝缘支撑层表面覆盖石墨烯MEMS薄膜，石墨烯薄膜为2～5层；之后，在石墨烯MEMS薄膜边缘和上反射镜或下反射镜的导电层分别沉积两个金属电极，两个金属电极上分别焊接有导线。并且，之后在石墨烯MEMS薄膜上侧采用同样的方法制作上微腔。

S3：将绝缘支撑层与上反射镜和下反射镜进行键合得到所述色彩调制器。

其中，光学微腔顶部与上反射镜键合，底部与下反射镜进行键合。由此即可制作出所设计的色彩调制器。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯MEMS的色彩调制器，其特征在于，包括：

平行设置的上反射镜和下反射镜；所述上反射镜和下反射镜均包括导电层；

设置于所述上反射镜和下反射镜的两端的绝缘支撑层，所述绝缘支撑层与所述上反射镜和下反射镜形成光学微腔；所述光学微腔内填充有空气；

设置于所述上反射镜和下反射镜之间的石墨烯MEMS薄膜层；所述石墨烯MEMS薄膜层的两端分别固定于所述绝缘支撑层；外部调制电压施加于所述石墨烯MEMS薄膜层以及所述上反射镜或者下反射镜的导电层之间，以使所述石墨烯MEMS薄膜层发生弯曲；

还包括设置于所述绝缘支撑层内的两个电极，两个电极的其中一个与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，另一个与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连接；

正电极与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，负电极与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连。

2.根据权利要求1所述的色彩调制器，其特征在于，所述光学微腔的腔长为1000-1160nm，具有红、绿、蓝三原色对应波长三个共振透射驻波模式。

3.根据权利要求1所述的色彩调制器，其特征在于，所述石墨烯MEMS薄膜层由5层石墨烯层构成。

4.根据权利要求1所述的色彩调制器，其特征在于，所述上反射镜和下反射镜均包括由多层介质布拉格反射镜或金属薄膜构成的背反射镜。

5.根据权利要求4所述的色彩调制器，其特征在于，所述多层介质布拉格反射镜由两种介质交替构成，两种介质的折射率分别为n₁和n₂，厚度分别为λ₀/4n₁和λ₀/4n₂，其中λ₀为特征波长，由可见光波段中点决定。

6.根据权利要求5所述的色彩调制器，其特征在于，两种介质分别为氟化镁和硫化锌。

7.根据权利要求5或6所述的色彩调制器，其特征在于，所述多层介质布拉格反射镜的周期为4。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于石墨烯MEMS的色彩调制器的制作方法，其特征在于，包括：

采用离子注入工艺或高温化学气相沉积工艺制备得到石墨烯MEMS薄膜，以及采用非选择性干法刻蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方式制备得到上反射镜和下反射镜；

在绝缘支撑层刻蚀出光学微腔，并在绝缘支撑表面覆盖石墨烯MEMS薄膜；

将绝缘支撑层与上反射镜和下反射镜进行键合得到所述色彩调制器；

在所述绝缘支撑层内设置两个电极，两个电极的其中一个与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，另一个与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连接；

正电极与所述石墨烯MEMS薄膜层相连接，负电极与所述上反射镜或者下反射镜的导电层相连。