CN115522164B - 一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 - Google Patents
一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115522164B CN115522164B CN202211313639.6A CN202211313639A CN115522164B CN 115522164 B CN115522164 B CN 115522164B CN 202211313639 A CN202211313639 A CN 202211313639A CN 115522164 B CN115522164 B CN 115522164B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- target
- phase change
- change material
- layer
- super
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 91
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 claims abstract description 71
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims abstract description 14
- 150000004770 chalcogenides Chemical group 0.000 claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 32
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 23
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 17
- 229910005642 SnTe Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 abstract description 7
- 239000003086 colorant Substances 0.000 abstract description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000002135 phase contrast microscopy Methods 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000220317 Rosa Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000013041 optical simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/10—Glass or silica
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
- C23C14/185—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
本发明属于超表面器件制备技术领域，具体涉及一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件及其制备方法，该可编程彩色超表面器件包括依次设置在衬底上的反射层、介质层和相变材料层、保护层；相变材料层上设置有光栅结构；相变材料层是在整个可见光波段具有介质非晶态到金属结晶态转变性质(DMT)的硫系相变材料，硫系相变材料是具有少量重原子M掺杂的立方相GeTe基固溶体Ge1‑xMxTe相变材料薄膜，其中M为Sn、In、Bi、Pb、Sb中的至少一种。本发明从根本上解决了基于相变材料的可编程、可重构超表面器件颜色调制无法覆盖整个可见光波段的瓶颈问题，制备的超表面器件具有其谐振峰和颜色在整个可见光波长范围内连续调制、可灵活编程等优点。
Description
技术领域
本发明属于超表面器件制备技术领域，具体涉及一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件及其制备方法。
背景技术
随着多媒体设备的普及，人们对低功耗、高分辨、宽色域显示设备的需求更加旺盛。结构色通常利用材料表面微观结构和光相互作用引起的干涉、衍射等光学效应来实现特定的颜色，具有分辨率高、环境友好、色域宽等优点。得益于相变材料在介质非晶态和金属结晶态时具有超大光学对比度和超快的相变速度等特点，基于相变材料的显示器件具备超快动态调控、可重构、非易失性等优点，因此在开发用于彩色显示器、建筑装饰、军用伪装等民用和军用领域的技术中得到了广泛关注。但现有基于相变材料的彩色显示器件普遍因加工手段限制，如等离子刻蚀、电子束刻蚀等，均属材料有损加工，无法在同一器件上实现颜色的重复编程。与此同时，现有相变材料的介质非晶态到金属结晶态转变(DMT)性能不满足需求，以目前研究最多的相变材料Ge2Sb2Te5为例，其DMT适用波段仅为400～615nm，且介电对比度较低，因此现有器件的颜色调控能力都受到了限制，无法实现全可见光波段的连续调谐。可见，在这一新兴技术的应用中，尚未有一种基于相变材料光栅超表面结构的彩色显示器件同时具有全可见光连续调谐、重复编程、可重构的功能。
目前，如何制作一种基于相变材料在全可见光范围实现颜色连续调制且兼具可编程、可重构性能的彩色超表面器件仍然是极具挑战的，其困难主要体现在材料设计和制备工艺两大方面：1)现有相变材料均不能满足在整个可见光波段具有DMT性质及高介电对比度，且DMT的微观来源不明确。2)这种超表面在实验制备上具有挑战性，需要优化制备工艺及参数。
有鉴于此，有必要提供一种新的在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件及其制备方法，该器件同时具有谐振峰和颜色在整个可见光波段范围内连续调制的性能和非易失、可编程、可重构性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件及其制备方法，主要解决的问题是：1)现有PCMs材料均不能满足在整个可见光波段具有DMT性质及高介电对比度。2)现有超表面器件不能在全可见光范围内连续调制、灵活编程性能及重构性能差。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明提供一种全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件，包括依次设置在衬底上的反射层、介质层和相变材料层、保护层；所述相变材料层上设置有介电非晶态和金属结晶态周期性交替排列的光栅结构；所述相变材料层是在整个可见光波段具有介质到金属转变性质(DMT)的硫系相变材料。
进一步地，上述可编程彩色超表面器件中：所述硫系相变材料为Ge1-xMxTe，它是少量重原子M掺杂的立方相GeTe基固溶体，其中M为Sn、In、Bi、Pb、Sb中的至少一种，x取值为0.05～0.2。
进一步地，上述可编程彩色超表面器件中：所述硫系相变材料为Ge0.9Sn0.1Te。
进一步地，上述可编程彩色超表面器件中：
所述衬底为Si(100)；
所述反射层为Ag薄膜，厚度为100～200nm；所述反射层在目标波段光谱反射率大于0.9；
所述介质层为SiO2，厚度为30～70nm；
所述相变材料层的厚度为8～50nm。
进一步地，上述可编程彩色超表面器件中，所述相变材料层的外侧设有保护层，所述保护层在诱导相变材料层相变的激光波长范围内透明；所述保护层为SiO2，厚度为10～20nm。
进一步地，如上所述的可编程彩色超表面器件中：所述光栅结构中介电非晶态、金属结晶态的交替周期为160～700nm；
本发明还提供一种可编程彩色超表面器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、通过磁控共溅射技术在衬底上依次沉积反射层、介质层、相变材料层，获得沉积介电非晶态相变材料的多层膜结构超表面器件；
S2、通过飞秒激光加工系统对得到的多层膜结构超表面器件的相变材料层区域进行激光直写，使得相变材料层发生相变，形成介电非晶态和金属结晶态呈周期性交替排列的的光栅结构。
进一步地，多层膜结构超表面器件的具体制备工艺包括如下步骤：
1)以Ag靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制Ag靶的溅射功率，在Si(001)衬底上沉积Ag反射层；
2)停止Ag靶溅射，以SiO2为靶源，控制氩气作为放电气体，控制SiO2靶的溅射功率，在沉积有Ag膜的衬底上继续沉积SiO2介质层；
3)停止SiO2靶溅射，采用双靶共溅射法，以GeTe靶和SnTe靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制GeTe靶和SnTe靶的功率，在沉积有SiO2介质层和Ag反射层的衬底上沉积相变材料层，即可得到所需的多层膜结构超表面器件。
进一步地，步骤1)至步骤3)中，溅射条件为：真空度为4×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm。
进一步地，步骤1)中控制Ag靶的直流溅射功率为80W，沉积时间5～10min；步骤2)中控制SiO2靶的直流溅射功率为100W，沉积时间20～50min；步骤3)中控制GeTe靶和SnTe靶的射频功率为80W，沉积时间30～600s。
进一步地，光栅结构的加工过程中，激光加工系统的激光波长控制在343～1030nm，最大重复频率为200KHz，物镜的数值孔径控制在0.1～0.9，激光功率密度的范围控制在1×107～1×1011W/m2，压电位移台的移动速度控制在≤50nm/S。
进一步地，光栅结构的加工过程中，实现金属晶相写入的单脉冲激光能量密度设定为64.9mJ/cm2，脉冲数量为2500；实现介质非晶相写入的单脉冲激光能量密度设定为409mJ/cm2，脉冲数量为1。
本发明中，所述衬底作为支撑结构，用于承载彩色超表面。所述反射层和介质层用于形成光学谐振腔，用于增强超表面在可见光波段的光谱反射率对比度；所述相变材料层以介质非晶态和金属结晶态构成呈周期性交替排列的光栅结构。可选择地在所述相变材料层外表面设置保护层，以维持超表面的效果。
在基于相变材料的全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件的设计与制造过程中，由于不具有在全可见范围具有高介电对比度的DMT-PCMs，且电脉冲激励、纳米压印、光刻技术、电子束光刻、聚焦离子束铣削等加工工艺具有不灵活、成本较高或无法可重构等缺点，使得器件的设计遇到了瓶颈。针对以上问题，本发明的技术方案没有使用昂贵、复杂的实验装置，而是通过大量的理论计算来预测DMT性质的微观起源，并通过实验合成了候选相变材料薄膜，然后根据理论计算的结果和实验数据提出了一套简单可行的技术方案，解决了上述问题。具体解决办法是：
从缺少在全可见范围具有高介电对比度的DMT-PCMs来说，发明人为了揭示DMT-PCMs的DMT性质的微观来源，进行了大量的第一性原理计算，探索了相变材料的结构有序度、带隙、载流子浓度等因素对DMT性质的影响。经过大量的密度泛函理论和第一性原理研究，发明人揭示了实现可见光波段DMT性质的材料的重要条件是具有高的结构有序度、小光学带隙以及高载流子浓度。为了进一步剖析产生这三种现象的微观起源，发明人通过密度泛函理论、第一性原理等方法发现，材料内部无内禀空位降低了Peries扭曲，导致了高的结构有序度；利用高原子序数材料掺杂进行原子取代，可增加平均原子序数，降低电子束缚能，从而导致低带隙；键能的降低可降低空位形成能，增加空位浓度，导致高的载流子浓度。最终，发明人根据高结构有序度、小光学带隙、高载流子浓度原则筛选出一系列潜在的具有DMT性质的相变材料，包括Ge1-xMxTe(M＝Sn、In、Bi、Pb、Sb)。其中，发明人以GeTe为母体，制备了一系列不同重原子(M)掺杂的GeTe基固溶体Ge1-xMxTe(M＝Sn、In、Bi、Pb、Sb)，并进行表征。通过xPS测试和光学测试，结果表明M＝Sn，x＝0.1的薄膜，也即Ge0.9Sn0.1Te，在整个可见光波段具有超过Ge2Sb2Te5的优异的DMT性能。由此，发明人提出了新的DMT-PCMs设计策略(无内禀空位、高的平均原子序数以及低的键能)并为基于相变材料的可编程、可重构超表面提供了通用的材料平台。
从加工工艺来说，发明人首先仿真了基于Ge0.9Sn0.1Te相变材料的具有亚波长周期光栅的彩色超表面的光学特性。当周期为160nm时，共振峰位于400nm附近。随着周期增加到700nm，共振峰逐渐红移到760nm，这覆盖了全可见光波段。且当光栅周期为280nm时，超表面的颜色为Rose Brown色。当光栅周期为380nm时，超表面的颜色变为Colonial Blue。随着光栅周期的进一步增加，超表面的颜色也不断变化，色域高达11％sRGB。发明人还仿真了基于Ge2Sb2Te5的彩色超表面。相同周期设置的Ge2Sb2Te5超表面，共振峰移动的范围仅为400nm到600nm，同时共振峰较宽，对应的色域也仅为5％sRGB。在经过大量的实验摸索后，发明人得到了超表面的工艺参数。发明人通过磁控溅射，在Si(100)上制备了具有反射层、介质层以及Ge0.9Sn0.1Te层的多层膜结构器件，其中结构参数为Ag(150nm)/SiO2(40nm)/Ge0.9Sn0.1Te(8nm)/SiO2(10nm)。利用具有灵活、成本低、可重复编程等优点的飞秒激光加工系统在Ge0.9Sn0.1Te相变材料层上制备了介质非晶态和金属结晶态交替构成的周期性光栅结构。同时，发明人通过实验摸索确定了激光诱导Ge0.9Sn0.1Te相变材料层在介质非晶态和金属结晶态间切换的参数，并在Ge0.9Sn0.1Te薄膜上绘制了“JLU”LOGO，亮的区域为晶态，暗的区域为非晶。在经过五次非晶和结晶循环后，LOGO的图案仍然十分清晰，这表明Ge0.9Sn0.1Te薄膜具有良好的循环稳定性，因此器件具有良好的可编程与可重构性能。
因此，本发明中的相变材料层选择具有少量重原子Sn掺杂的、无内禀空位的、高平均原子序数的、低键能的、在整个可见光波段具有DMT性质的、高介电对比度的立方相GeTe基固溶体Ge0.9Sn0.1Te薄膜来解决现有基于相变材料的彩色超表面器件制造过程中的材料限制。设计并制备了Ag(150nm)/SiO2(40nm)/Ge0.9Sn0.1Te(8nm)/SiO2(10nm)多层膜器件，利用飞秒激光加工系统制备了介质非晶态和金属结晶态交替的光栅结构，解决了以往加工方式不灵活、成本较高、无法可重构等缺点，实现了谐振峰和颜色在整个可见光波长范围内连续调制。
本发明的有益效果是：
1、本发明从根本上解决了基于相变材料的可编程、可重构超表面器件颜色调制无法覆盖整个可见光波段的瓶颈问题，并提供了一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件及其制备方法。本发明制备的超表面器件具有其谐振峰和颜色在整个可见光波长范围内连续调制、可灵活编程等优点。
2、本发明通过实验、第一性原理计算和光学仿真相结合的方式，揭示了DMT的微观起源，设计并制备出了一种具有少量重原子Sn掺杂的、无内禀空位的、高平均原子序数的、低键能的、在整个可见光波段具有DMT性质的、高介电对比度的立方相GeTe基固溶体Ge0.9Sn0.1Te，这是经典相变材料Ge2Sb2Te5、GeTe、InSbTe所不具有的。利用材料相态稳定的能力，使得超表面器件具有非易失性；超表面器件基于二维膜层设计，易于大面积加工和应用。
3、飞秒激光加工系统制作了介质非晶态和金属晶态交替的光栅结构，实现了超表面的可编程及可重构，相比于采用电脉冲激励、纳米压印、光刻技术、电子束光刻、聚焦离子束铣削等微纳加工技术，本发明的制备方法更加灵活且成本更低。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中可编程彩色超表面器件的结构示意图；
图2为Ge0.9Sn0.1Te材料与传统相变材料在可见光波段光学对比度的对比图；
图3为基于Ge0.9Sn0.1Te的光栅超表面，周期160～600nm对p偏振光的模拟吸收图；
图4为基于Ge0.9Sn0.1Te的光栅超表面CIE色域对应颜色示意图；
图5为经过五次非晶和结晶循环的“JLU”字样光学显微镜图像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件，包括：
依次设置在衬底上的反射层、介质层、相变材料层以及保护层；
作为内层的反射层，所述反射层为Ag膜，厚度为100～200nm；
作为中间层的介质层，所述介质层为SiO2,厚度为30～70nm；
作为次外层的相变材料层，所述相变材料层是具有Sn掺杂的GeTe基固溶体Ge1- xMxTe，其中x＝0.1，薄膜厚度为8～50nm；
所述相变材料层上设置有由介质非晶态和金属结晶态交替构成的周期性光栅，光栅周期为160～700nm。
作为最外层的保护层，所述保护层为SiO2，厚度为10～60nm；
本发明的具体实施例如下：
实施例1
一种在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件，包括：
依次设置在衬底上的反射层、介质层以及相变材料层；
作为内层的反射层，所述反射层为Ag膜，厚度为150nm；
作为中间层的介质层，所述介质层为SiO2，厚度为40nm；
作为外层的相变材料层，所述相变材料层是具有Sn掺杂的GeTe基固溶体Ge0.9Sn0.1Te，薄膜厚度为8nm；
所述相变材料层上设置有由介质非晶态和金属结晶态交替构成的周期性光栅，光栅周期为600nm。
上述在全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)溅射实验前衬底预处理：衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干。
(2)衬底预热与预溅射：当真空室达到本底真空度后，为了去除Ag靶、SiO2靶、GeTe靶和SnTe靶表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在氩气流量为50.0sccm的条件下预溅射10min。
(3)以Ag靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制Ag靶的溅射功率，以Si(100)为衬底，以设定的溅射条件在衬底上沉积Ag反射层；溅射条件为：真空度为4×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm；控制Ag靶的直流溅射功率为80W，沉积时间7min。
(4)停止Ag靶溅射，以SiO2靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制SiO2靶的溅射功率，以设定条件在沉积有Ag膜的衬底上继续沉积SiO2介质层；溅射条件为：真空度为4×10- 4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm；控制SiO2靶的直流溅射功率为100W，沉积时间35min。
(5)停止SiO2靶溅射，采用双靶共溅射法，以GeTe靶和SnTe靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制GeTe靶和SnTe靶的功率，在沉积有SiO2介质层和Ag反射层的衬底上沉积相变材料层；溅射条件为：真空度为4×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm；控制GeTe靶和SnTe靶的射频功率为80W，沉积时间1min。
(6)停止双靶共溅射，以SiO2靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制SiO2靶的溅射功率，以设定条件在沉积有Ag反射层、SiO2介质层、相变材料层的衬底上继续沉积SiO2保护层；溅射条件为：真空度为4×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm；控制SiO2靶的直流溅射功率为100W，沉积时间xx；即可在衬底上得到多层膜结构超表面器件。
(7)通过飞秒激光加工系统，以设定条件对超表面器件A的相变材料层特定区域进行激光直写；“写入”条件为：激光波长为515nm，重复频率10KHz，物镜的数值孔径为0.9，单脉冲激光能量密度设定为64.9mJ/cm2，脉冲数量为2500，压电位移台的移动速度为200nm/S。“擦除”条件为：激光波长为515nm，重复频率1KHz，物镜的数值孔径为0.9，单脉冲激光能量密度设定为409mJ/cm2，脉冲数量为1，压电位移台的移动速度为200nm/S。通过加工程序，控制激光直写周期为380nm。即可在多层膜结构超表面器件的基础上，加工得到相变材料层上有设置380nm周期由介质非晶态和金属结晶态交替构成的光栅结构超表面器件，此时超表面颜色为蓝色。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种全可见光范围连续调制的可编程彩色超表面器件，其特征在于，包括依次设置在衬底上的反射层、介质层和相变材料层、保护层；所述相变材料层上设置有介电非晶态和金属结晶态周期性交替排列的光栅结构；所述相变材料层是在整个可见光波段具有介质到金属转变性质的硫系相变材料，所述硫系相变材料为Ge0.9Sn0.1Te。
2.根据权利要求1所述的可编程彩色超表面器件，其特征在于：
所述衬底为Si(100)；
所述反射层为Ag薄膜，厚度为100～200nm；所述反射层在目标波段光谱反射率大于0.9；
所述介质层为SiO2，厚度为30～70nm；
所述相变材料层的厚度为8～50nm。
3.根据权利要求1所述的可编程彩色超表面器件，其特征在于：所述相变材料层的外侧设有保护层，所述保护层在诱导相变材料层相变的激光波长范围内透明；所述保护层为SiO2，厚度为10～20nm。
4.根据权利要求1所述的可编程彩色超表面器件，其特征在于：所述光栅结构中介电非晶态、金属结晶态的交替周期为160～700nm。
5.如权利要求1～4中任一项所述的可编程彩色超表面器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过磁控共溅射技术在衬底上依次沉积反射层、介质层、相变材料层，获得沉积介电非晶态相变材料的多层膜结构超表面器件；
S2、通过飞秒激光加工系统对得到的多层膜结构超表面器件的相变材料层区域进行激光直写，使得相变材料层发生相变，形成介电非晶态和金属结晶态呈周期性交替排列的的光栅结构。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，多层膜结构超表面器件的具体制备工艺包括如下步骤：
1)以Ag靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制Ag靶的溅射功率，在Si(100)衬底上沉积Ag反射层；
2)停止Ag靶溅射，以SiO2为靶源，控制氩气作为放电气体，控制SiO2靶的溅射功率，在沉积有Ag膜的衬底上继续沉积SiO2介质层；
3)停止SiO2靶溅射，采用双靶共溅射法，以GeTe靶和SnTe靶作为靶源，氩气作为放电气体，控制GeTe靶和SnTe靶的功率，在沉积有SiO2介质层和Ag反射层的衬底上沉积相变材料层，即可得到所需的多层膜结构超表面器件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤1)至步骤3)中，溅射条件为：真空度为4×10-4Pa，工作压强为0.5Pa，靶基距为55mm，衬底温度为25℃，氩气流量为50.0sccm；步骤1)中控制Ag靶的直流溅射功率为80W，沉积时间5～10min；步骤2)中控制SiO2靶的直流溅射功率为100W，沉积时间20～50min；步骤3)中控制GeTe靶和SnTe靶的射频功率为80W，沉积时间30～600s。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特种在于，光栅结构的加工过程中，激光加工系统的激光波长控制在343～1030nm，最大重复频率为200KHz，物镜的数值孔径控制在0.1～0.9，激光功率密度的范围控制在1×107～1×1011W/m2，压电位移台的移动速度控制在≤50nm/S；实现金属晶相写入的单脉冲激光能量密度设定为64.9mJ/cm2，脉冲数量为2500；实现介质非晶相写入的单脉冲激光能量密度设定为409mJ/cm2，脉冲数量为1。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211313639.6A CN115522164B (zh) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211313639.6A CN115522164B (zh) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115522164A CN115522164A (zh) | 2022-12-27 |
| CN115522164B true CN115522164B (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=84704516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211313639.6A Active CN115522164B (zh) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115522164B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0569670A (ja) * | 1991-09-11 | 1993-03-23 | Nec Corp | 画像記録方法及び画像記録媒体及び画像記録装置 |
| US6153063A (en) * | 1996-03-11 | 2000-11-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical information recording medium, producing method thereof and method of recording/erasing/reproducing information |
| US6278684B1 (en) * | 1999-04-13 | 2001-08-21 | Industrial Technology Research Institute | Optical information recording medium |
| TW460589B (en) * | 1998-12-24 | 2001-10-21 | Nat Science Council | Erasable phase-change optical disc recording medium |
| CN111399255A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-10 | 中山大学 | 一种可用于多谱段主动光学调控的硫系相变薄膜及其制备方法 |
| CN113376870A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-09-10 | 杭州电子科技大学 | 一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法 |
| CN114047565A (zh) * | 2021-11-01 | 2022-02-15 | 吉林大学 | 一种具有超高红外透射调制性能的相变材料及其制备方法 |
| WO2023057760A1 (en) * | 2021-10-06 | 2023-04-13 | E Ink Corporation | Display device and projection device |
| CN117250672A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-12-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于铟锑碲的多波段兼容可编程热辐射器及应用方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006044215A (ja) * | 2003-11-10 | 2006-02-16 | Ricoh Co Ltd | 光記録媒体及びその製造方法、スパッタリングターゲット、並びに光記録媒体の使用方法及び光記録装置 |
| TWI326075B (en) * | 2005-04-01 | 2010-06-11 | Ricoh Co Ltd | Optical recording medium and optical recording method |
| US9733402B2 (en) * | 2014-03-06 | 2017-08-15 | University Of Southern California | Reflective color display based on tunable sub-wavelength high contrast gratings |
| WO2021216196A1 (en) * | 2020-04-23 | 2021-10-28 | Massachusetts Institute Of Technology | Optical devices with phase-change materials |
-
2022
- 2022-10-25 CN CN202211313639.6A patent/CN115522164B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0569670A (ja) * | 1991-09-11 | 1993-03-23 | Nec Corp | 画像記録方法及び画像記録媒体及び画像記録装置 |
| US6153063A (en) * | 1996-03-11 | 2000-11-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical information recording medium, producing method thereof and method of recording/erasing/reproducing information |
| TW460589B (en) * | 1998-12-24 | 2001-10-21 | Nat Science Council | Erasable phase-change optical disc recording medium |
| US6278684B1 (en) * | 1999-04-13 | 2001-08-21 | Industrial Technology Research Institute | Optical information recording medium |
| CN111399255A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-10 | 中山大学 | 一种可用于多谱段主动光学调控的硫系相变薄膜及其制备方法 |
| CN113376870A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-09-10 | 杭州电子科技大学 | 一种基于相变材料的空间光型电光调制器件及其制造方法 |
| WO2023057760A1 (en) * | 2021-10-06 | 2023-04-13 | E Ink Corporation | Display device and projection device |
| CN114047565A (zh) * | 2021-11-01 | 2022-02-15 | 吉林大学 | 一种具有超高红外透射调制性能的相变材料及其制备方法 |
| CN117250672A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-12-19 | 哈尔滨工业大学 | 基于铟锑碲的多波段兼容可编程热辐射器及应用方法 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| Bi Chaobin,et al..Germanium monotelluride-based solid solutions as whole-visible dielectric-metallic-transition material platforms for programmable metasurfaces.《ACTA MATERIALIA》.2023,第250卷全文. * |
| Komerska Anna,et al..Determination of the solar transmittance for the translucent shutter with PCM in liquid and solid state.《INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCES IN ENERGY SYSTEMS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING (ASEE17)》.2017,第22卷全文. * |
| Three distinct optical-switching states in phase-change materials containing impurities:From physical origin to material design;Chaobin Bi, et al.;《Journal of Materials Science & Technology》(第16期);全文 * |
| 基于相变材料GeSbTe的微结构制备及其光学性质研究;张腾;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》;全文 * |
| 基于相变材料锗锑碲的可调红外吸收/辐射器件;丁建平;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;全文 * |
| 硫系相变材料的光学性质调控及其在颜色和吸收调制器的应用研究;毕超斌;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115522164A (zh) | 2022-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mandal et al. | Reconfigurable chalcogenide phase change metamaterials: a material, device, and fabrication perspective | |
| Lai et al. | Optical scattering characteristic of annealed niobium oxide films | |
| Kana et al. | Thermochromic nanocrystalline Au–VO2 composite thin films prepared by radiofrequency inverted cylindrical magnetron sputtering | |
| JP5558466B2 (ja) | 金属製光グレイスケールマスクおよびその製造方法 | |
| Ananthakumar et al. | Effect of substrate temperature on structural, morphological and optical properties of crystalline titanium dioxide films prepared by DC reactive magnetron sputtering | |
| Tasseva et al. | Structural and optical characterization of Ag photo-doped thin As40S60− xSex films for non-linear applications | |
| Ramana et al. | Microstructural features of pulsed-laser deposited V2O5 thin films | |
| CN115522164B (zh) | 一种可编程彩色超表面器件及其制备方法 | |
| CN113866863B (zh) | 一种手性光学元件及其制备方法 | |
| Zhao et al. | Ultrafast laser-induced integrated property–structure modulation of Ge2Sb2Te5 for multifunction and multilevel rewritable optical recording | |
| CN112162405B (zh) | 一种兼具非易失性、多结构色、多档位及高透射率对比度的谐振腔膜系及制备方法 | |
| Liu et al. | Non-volatile dynamically switchable color display via chalcogenide stepwise cavity resonators | |
| Sun et al. | Nanoscale-thick thin films of high-density HfO2 for bulk-like optical responses | |
| US20210222279A1 (en) | Method for regulating color of hard coating, hard coating, and method for preparing the same | |
| Park et al. | Properties of LiNbO3 thin film prepared from ceramic Li–Nb–K–O target | |
| Liu et al. | Influence of RF power on the structure and optical properties of sputtered hafnium dioxide thin films | |
| JP2003178625A (ja) | 光学素子機能を有する透明導電膜およびその製造方法 | |
| Bello et al. | High-temperature AlN and Ti multilayer cermet for solar absorber coating: structural and optical properties | |
| CN109581564A (zh) | 一种具有结构色彩的多层金属陶瓷薄膜及其制备方法 | |
| Kong et al. | TeO2. 33/SiO2 one-dimensional photonic crystals with defect layer and its photo-induced effect | |
| RU2217394C1 (ru) | Просветляющее оптическое многослойное покрытие | |
| Li et al. | Hemi‐Shell Arrays Harvesting Ultra‐Broadband Light | |
| Ai et al. | Effect of ion bombardment on the properties of Nb2O5 films deposited in large coating chamber | |
| CN108821229B (zh) | 一种ZnS红外窗口减反微结构表面的制备方法 | |
| Sarangan | Design and nanophotonic thin film devices using phase change materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |