牛萍娟， 薛衛(wèi)芳, 寧平凡， 劉宏偉,楊 潔, 張浩偉， 趙金萍， 崔賀鳳

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院， 天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心， 天津 300387)

?

基于低維相變薄膜的顯示器件光學(xué)性質(zhì)的研究

牛萍娟1,2,3， 薛衛(wèi)芳1,3, 寧平凡2,3*， 劉宏偉1,2,3,楊 潔1,3, 張浩偉1,3， 趙金萍2，3， 崔賀鳳1,3

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院， 天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心， 天津 300387)

采用傳輸矩陣模型研究了基于低維相變薄膜的顯示器件的光學(xué)特性與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。顯示器件的類型有反射型和透射型，器件結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)包括Ge2Sb2Te5(GST)層的厚度、ITO層的厚度、GST層的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化。結(jié)果表明：對于反射型器件，ITO層的厚度對器件的反射光譜影響較大，可以通過改變ITO層的厚度達到改變器件顏色的效果；GST層的厚度為12 nm時，GST的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化使器件有最好的顏色對比度且消耗較低的電功率。對于透射型器件，通過使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高，器件的透明度在GST的厚度超過幾納米后迅速下降。

傳輸矩陣； 相變薄膜； 顯示器件； 顏色對比度

1 引 言

在電子工業(yè)中，目前最常用的顯示技術(shù)是LCD顯示，而背光是里面不可缺少的部件。現(xiàn)在的液晶背光源更多地采用具有低功耗、低發(fā)熱、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點的LED光源[1]。但是LED光源在人眼舒適度方面存在缺陷：一方面，短波藍光對人眼的傷害讓其成為屏幕背后的隱形殺手，波長在400～500 nm的高能量藍光會穿透晶狀體到達視網(wǎng)膜，從而對視網(wǎng)膜細胞造成傷害；另一方面，LED背光光源需要通過快速的開、關(guān)循環(huán)調(diào)節(jié)屏幕明暗度，導(dǎo)致屏幕閃爍問題的產(chǎn)生，不容易被察覺的閃爍也會因為人們長時間使用電子屏幕造成眼睛疲勞、視線模糊等不適狀況。

相比于液晶顯示技術(shù)，無需背光高反射的電子紙顯示技術(shù)最大的優(yōu)點是陽光下可視效果好，沒有死角。電子紙技術(shù)不僅可以實現(xiàn)像紙一樣閱讀舒適、超薄輕便、可彎曲，同時又可以像我們常見的液晶顯示器一樣不斷轉(zhuǎn)換刷新顯示內(nèi)容且具有節(jié)能的特點，成為顯示領(lǐng)域關(guān)注的焦點。電子墨水技術(shù)是極具發(fā)展?jié)摿Φ娜嵝噪娮语@示技術(shù)之一，同時也是電子紙領(lǐng)域當前的主流技術(shù)。電子墨水是一種液態(tài)材料，在這種液態(tài)材料中懸浮著許多個與人類發(fā)絲直徑差不多大小的微囊體，每個微囊體由正電荷粒子和負電荷粒子構(gòu)成。當承載電子墨水的載體經(jīng)過特殊的處理，在其內(nèi)針對每個像素構(gòu)造一個簡單的像素控制電路，電子墨水就能顯示出我們需要的圖形和文字[2]。但目前的電子墨水技術(shù)仍然存在著不能彩色顯示以及反應(yīng)速度慢等問題，影響了其走向大眾、走向?qū)嵱谩?/p>

目前，由英國牛津大學(xué)科學(xué)家率領(lǐng)的研究小組基于相變薄膜研發(fā)出一種柔性的具有納米尺寸像素的顯示器[3]，從而迎來了一個真正柔性的電子屏幕時代。這種顯示器具有超高清分辨率、超低能耗、可彎曲的特點。相變層使顯示器具有更好的顏色對比度，并且該顯示器能夠很容易地顯示出多種色彩，其中也包括顯示器所需要的基色。此外，這種顯示器還能在更為省電的“彩色電子閱讀器”模式和能夠顯示視頻的背光模式之間輕松地切換[4]。這個研究是相變材料的光電特性在顯示領(lǐng)域的第一個應(yīng)用。

相變材料Ge2Sb2Te5(GST)在室溫或者較低溫度的操作系統(tǒng)下具備抗結(jié)晶的能力，即可以在非晶態(tài)時長期保持穩(wěn)定；還能在高于結(jié)晶溫度并低于熔點溫度下快速完全結(jié)晶，即可以在非晶態(tài)時快速晶化[5]。相變材料是近年來的一個研究熱點，國內(nèi)外許多研究人員對其進行了廣泛的研究。Khulbe等[6]發(fā)現(xiàn)，GeSbTe的濺鍍非晶態(tài)薄膜需要一定的時間進行結(jié)晶過程，形成晶粒臨界尺寸需要一個最短時間。顧四鵬等[7]研究了用直流濺射法制備的摻Sn的Ge2Sb2Te5薄膜，發(fā)現(xiàn)適當?shù)腟n摻雜能大大增加薄膜熱處理前后的反射率對比度，特別是在短波長(300～405 nm)區(qū)域的反射率對比度。Dimitrov等[8]向GeSbTe記錄層中共摻氧氮，發(fā)現(xiàn)這樣可以提高薄膜的晶化溫度，信噪比和可擦性能優(yōu)于未摻雜的記錄層。雖然對相變材料的研究趨于成熟，但將相變材料的電學(xué)和光學(xué)特性用于顯示技術(shù)，開發(fā)出具有節(jié)能健康、超高分辨率等潛在優(yōu)勢的顯示器，的確是一次有意義的研究與探索。

基于相變材料的顯示器件的研究才剛剛起步，關(guān)于色彩調(diào)控、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、讀寫電路等方面的問題亟待解決。本文針對基于相變材料的顯示器件的光學(xué)性質(zhì)進行了研究，采用仿真的方法分析了反射型和透射型器件的結(jié)構(gòu)與材料性能對其光學(xué)性能的影響。

2 器件結(jié)構(gòu)及計算方法

2.1 器件結(jié)構(gòu)類型

基于相變材料的顯示器件采用了一種獨特的三明治結(jié)構(gòu)，被夾在中間的是一層相變材料，另外兩層是透明導(dǎo)電薄膜。只需極小的電流，這塊“三明治”就能顯示圖像。這種顯示器件主要有反射型和透射型兩種。相比于反射型器件，透射型器件沒有反射層。圖1為基于相變材料的反射型和透射型顯示器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 基于相變材料的反射型(a)和透射型(b)顯示器件

Fig.1 Reflection (a) and transmission (b) type display device based on phase-change material

具體來說，器件通電后將會引起相變材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間的變化，相變材料狀態(tài)不同則其復(fù)介電常數(shù)n、k不同，從而導(dǎo)致該器件反射光譜或者透射光譜的變化,并最終使器件呈現(xiàn)顏色的變化[9]。各層材料的種類以及厚度均會影響到器件的反射率或透射率。

要成為切實可行的顯示器件用的相變材料，必須滿足以下要求：讀寫速度快、室溫穩(wěn)定性好、易成膜、成分簡單。與VO2、VO相比，相變材料GST的靈敏度高、相變速度快、室溫穩(wěn)定性好[9]，既可以在非晶態(tài)時長期保持穩(wěn)定，又可以在非晶態(tài)時快速晶化，滿足顯示器件對相變材料的要求，更適合成為顯示器件用的相變材料。透明導(dǎo)電薄膜對材料有以下要求：透光度高、導(dǎo)電性能良好、光學(xué)性能與GST相匹配、具有柔韌性[10]。常用的電極材料有FTO(F摻雜的SnO2)以及最近發(fā)展的石墨烯等[11]。而透明電極材料氧化銦錫(ITO)是當前應(yīng)用最廣泛的一種透明導(dǎo)電氧化物薄膜。ITO具有一系列優(yōu)良的性能，如高的透明度(可見光透過率高達85%以上)、導(dǎo)電性能良好、電子遷移率高、加工性能好、膜層硬度高且既耐磨又耐腐蝕等[12]。反射層對材料的要求是其具有高反射率，Al、Au、Pt具有這樣的特性，可作為反射層的備選材料。

器件最終的顯示特性受到材料種類、厚度等多種因素的影響。我們研究了顯示器件的光學(xué)特性傳輸矩陣的計算模型并采用仿真的方法研究了反射型和透射型器件的光譜與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系，包括GST層的厚度、ITO層的厚度、GST層的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化等。

2.2 顯示器件的光學(xué)特性傳輸矩陣的計算

電磁波通過該多層薄膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)和透射系數(shù)可通過傳輸矩陣的方法得到[13-14]?；谙嘧儽∧さ娘@示器件的光學(xué)性質(zhì)也可以通過該方法來研究。Ge2Sb2Te5的復(fù)折射率隨著波長而變化[15]。將一束單色光照射在均勻的、各向同性的、無磁性的多層薄膜結(jié)構(gòu)上，多層薄膜結(jié)構(gòu)大約有m層，薄膜材料的復(fù)折射率為n。其中光線入射分為斜入射和垂直入射。如果電磁矢量在膜層交界面處滿足切向分量連續(xù)的邊界條件，那么可以采用一個2×2的矩陣來描述電磁場在光學(xué)薄膜中的傳播規(guī)律。簡單地說，這個多層的薄膜結(jié)構(gòu)嵌入在兩個半無限層面(j=0,j=m+1)之間,每一層的厚度為t,復(fù)折射率為nj=nj+ikj。Ijk描述的是光從層面j傳輸?shù)綄用鎘時其界面處的傳輸矩陣。

(1)

(2)

ξj=(2π/λ)nj。S是電場波矢量從層面j=0傳到層面j=m+1時其膜界面處的傳輸矩陣，表示成電場波矢量的矩陣關(guān)系為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

第j層內(nèi)任意位置x的總的電場強度表示如下：

(8)

3 結(jié)果與討論

3.1 反射型器件

首先研究反射型器件的光學(xué)性能，反射型器件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定為10nmITO/7nmGST/tnmITO/100nmAl/SiO2，ITO的厚度分別取50，70，120，180nm。在不同ITO厚度下，GST的狀態(tài)相應(yīng)地由非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)。根據(jù)已設(shè)定的參數(shù)進行仿真，得到器件反射光譜圖如圖2所示。

由圖2可知，無論GST是非晶態(tài)還是晶態(tài)，ITO在不同厚度下的反射型器件的反射光譜都有較大差異，器件顯示出的顏色有較大變化。以晶態(tài)為例，t=50nm時，反射率最大所對應(yīng)的波長在350nm之前，且離350nm較遠，器件顯示為黑色；t=70nm時，反射率最大對應(yīng)的波長在350nm附近，器件顯示為暗紫色；t=120nm時，反射率最大對應(yīng)的波長在500 nm附近，顯示為天藍色；t=180 nm時,反射率最大對應(yīng)的波長在675 nm附近，顯示為橘黃色。這說明ITO層的厚度對器件的反射光譜影響較大，可以通過改變ITO層的厚度達到改變器件顏色的效果。同時，當GST由非晶態(tài)變化為晶態(tài)后，反射率最大對應(yīng)的波長也有變化。當t=120 nm時，非晶態(tài)與晶態(tài)時反射率最大對應(yīng)的波長分別為511 nm和506 nm，Δ=5 mm；當t=180 nm 時，反射率最大對應(yīng)的波長分別為677 nm和664 nm，Δ=13 mm?？梢姡珿ST的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化對器件顯示的顏色也有影響，可通過改變GST的狀態(tài)來改變器件顯示的顏色。

圖2GST在非晶態(tài)(a)與晶態(tài)(b)時的反射型器件的反射光譜

Fig.2 Reflection spectra of the reflective device when GST is in amorphous(a) and crystalline(b), respectively.

下面研究另外一個因素——GST的厚度對反射型顯示器件顏色顯示的影響。反射型器件結(jié)構(gòu)為10 nm ITO/tnm GST/70 nm ITO/100 nm Al/SiO2。首先定義一個量

(9)

用來表示GST由非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)時，器件反射率的變化程度。Ram表示非晶態(tài)時的反射率，Rc表示晶態(tài)時的反射率。圖3為不同GST厚度下的反射型器件反射率的變化率。其中GST 的厚度范圍取1～15 nm，步長為1 nm。

Fig.3 Variation rate of reflectivity of the reflective device under different thickness of GST

由圖3可知，在t<6 nm時，紅色和橙色光波附近的光的反射率變化較大，但藍色光波附近的光的反射率變化不大。總體來說，t<6 nm時，不同波長的光的反射率的變化很小。當t>6 nm后，無論是紅色和橙色光波附近的光，還是藍色和綠色光波附近的光，反射率的變化均慢慢變大。即t>6 nm后，不同波長的光的反射率的變化均較大。當t=12 nm時，綜合所有波長的光的反射率的變化達到最大。從圖3中也可以看出，GST的厚度超過12 nm 后，反射率的變化率呈下降趨勢。這說明t=12 nm時，器件的顏色對比度最明顯。另外，越小的厚度所消耗的電功率越低。即t=12 nm時，GST的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化使器件有最好的顏色對比度且消耗較低的電能，可作為GST厚度的最優(yōu)參數(shù)。

3.2 透射型器件

我們對透射型器件的光學(xué)性能也進行了研究，器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定為20 nm ITO/GST/40 nm ITO。圖4為GST在非晶態(tài)與晶態(tài)時的器件的透射光譜，其中GST的厚度范圍取5～95 nm。

由圖4可知，無論GST為非晶態(tài)還是晶態(tài)，隨著GST層厚度的增加，器件的透射率均下降。即隨著GST的厚度的增加，薄膜器件的透明度降低。當GST的厚度小于20 nm時，器件的透射率下降得很快；當GST的厚度大于20 nm時，器件的透射率下降變慢。當GST 的厚度超過60 nm時，器件的光的透射率幾乎為0，整個器件變得不透明。使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高。

圖4 GST在非晶態(tài)(a)與晶態(tài)(b)時的透射型器件的透射光譜

Fig.4 Transmittance spectra of the transmission type device when the phase of GST is amorphous(a) and crystalline(b), respectively.

定義一個量

(10)

用來表示GST由非晶態(tài)變?yōu)榫B(tài)時，器件的透射率的變化程度。Tam表示非晶態(tài)時的透射率，Tc表示晶態(tài)時的透射率。圖5為不同厚度GST下的透射型器件透射率的變化情況。

Fig.5 Variation rate of transmittance of the transmission type device under different thickness of GST

根據(jù)仿真圖形，對于大多數(shù)的波長的光，GST層的厚度在75～85 nm時的透射率的變化率最大，此時器件的顏色對比度最佳。然而，由于GST層的內(nèi)部吸收，由圖5的分析可知，在GST的厚度超過幾納米后，器件的透明度迅速下降。因此，器件的顏色對比度的提高是以犧牲器件的透明度為代價的。由此，可以選擇5～10 nm的GST層作為透明度與對比度的最佳折中區(qū)域。

4 結(jié) 論

采用傳輸矩陣的計算模型研究了基于低維相變薄膜的反射型和透射型器件的光學(xué)性能與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。對于反射型器件，ITO層的厚度對器件的反射光譜影響較大，可以通過改變ITO層的厚度達到改變器件顏色的效果；GST的晶態(tài)與非晶態(tài)的變化對器件顯示的顏色也有影響，GST的厚度為12 nm時，GST狀態(tài)的變化使器件有最好的顏色對比度且消耗電能較少。對于透射型器件，通過使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高，器件的顏色對比度的提高是以犧牲器件的透明度為代價的。由此，可以選擇5～10 nm的GST層作為透明度與顏色對比度的最佳折中區(qū)域。將相變材料的電學(xué)和光學(xué)特性用于顯示技術(shù)，開發(fā)出具有節(jié)能健康、超高分辨率等潛在優(yōu)勢的顯示器，是一次有意義的研究與探索。當這種超高清分辨率、可折疊可彎曲的顯示技術(shù)發(fā)展成熟之后，未來有望在多功能眼鏡、隱形眼鏡、人造視網(wǎng)膜上獲得應(yīng)用?；诋斍暗陌l(fā)展狀況，該項技術(shù)要想真正從實驗室中走出并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要克服許多的技術(shù)難題。其中，亟待解決的兩個問題是如何提高器件的顏色對比度以及怎樣實現(xiàn)彩色化。隨著技術(shù)的不斷提高，該技術(shù)的應(yīng)用前景將會更加廣闊，將有望用于各類穿戴式設(shè)備和移動終端。

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牛萍娟(1973-),女，河北石家莊人，博士，教授，2002年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光源與照明系統(tǒng)的研究。E-mail： pjniu@outlook.com

寧平凡(1982-)，男，山東濟寧人，博士，講師，2013年于天津大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事電子器件與固態(tài)照明技術(shù)的研究。E-mail： npf@tju.edu.cn

Optical Properties of Display Devices Enabled by Low-dimensional Phase-change Thin Films

NIU Ping-juan1,2,3, XUE Wei-fang1,3, NING Ping-fan2,3*, LIU Hong-wei1,2,3, YANG Jie1,3，ZHANG Hao-wei1,3, ZHAO Jin-ping2,3， CUI He-feng1,3

(1. School of Electronics and Information Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;2.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China;3.EngineeringResearchCenterofHighPowerSolidStateLightingApplicationSystem,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:npf@tju.edu.cn

The transfer matrix calculation model was used to study a unique display device employing low-dimensional phase-change thin film (PCMs). The optical properties of the device based on the germanium antimony tellurium alloy Ge2Sb2Te5(GST) thin films were studied by simulation. It was showed how such a system, when combined with a transparent electrode such as indium tin oxide (ITO), could be used as displays on reflective and transparent substrates both on rigid and flexible surfaces. To understand the relationship between the thickness of ITO and GST layers and the overall optical properties of the stack, the reflectivity spectrum of the stack was systematically computed while the thickness of each layer was gradually increased. For the reflection type device, the thickness of ITO has great influence on the reflection spectrum of the device, and the color of the device can be changed by changing the thickness of ITO. When the thickness of GST is 12 nm, the color contrast of the device is the best which is achieved by changing the phase of GST between amorphous and crystalline, and the power consumption is low. For the transmission type device, the transparency of the device can be very high by using ultra-thin GST film, but the transparency declines rapidly when the thickness of GST is more than a few nanometers.

transfer matrix; phase-change thin film; display device; color contrast

1000-7032(2016)12-1514-07

2016-05-23；

2016-06-26

天津市自然科學(xué)基金(15JCQNJC41800,14JCQNJC01000)； 國家自然科學(xué)基金(11404239)； 國家科技支撐計劃(2014BAH03F01)資助項目

TH37

A

10.3788/fgxb20163712.1514