基于低维相变薄膜的显示器件光学性质的研究

牛萍娟， 薛卫芳, 宁平凡， 刘宏伟,杨 洁, 张浩伟， 赵金萍， 崔贺凤

(1. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电气工程与自动化学院， 天津 300387；3. 天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心， 天津 300387)



基于低维相变薄膜的显示器件光学性质的研究

牛萍娟1,2,3， 薛卫芳1,3, 宁平凡2,3*， 刘宏伟1,2,3,杨 洁1,3, 张浩伟1,3， 赵金萍2，3， 崔贺凤1,3

(1. 天津工业大学 电子与信息工程学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 电气工程与自动化学院， 天津 300387；3. 天津工业大学 大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心， 天津 300387)

采用传输矩阵模型研究了基于低维相变薄膜的显示器件的光学特性与器件结构的关系。显示器件的类型有反射型和透射型，器件结构的关键参数包括Ge2Sb2Te5(GST)层的厚度、ITO层的厚度、GST层的晶态与非晶态的变化。结果表明：对于反射型器件，ITO层的厚度对器件的反射光谱影响较大，可以通过改变ITO层的厚度达到改变器件颜色的效果；GST层的厚度为12 nm时，GST的晶态与非晶态的变化使器件有最好的颜色对比度且消耗较低的电功率。对于透射型器件，通过使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高，器件的透明度在GST的厚度超过几纳米后迅速下降。

传输矩阵； 相变薄膜； 显示器件； 颜色对比度

1 引 言

在电子工业中，目前最常用的显示技术是LCD显示，而背光是里面不可缺少的部件。现在的液晶背光源更多地采用具有低功耗、低发热、节能环保等诸多优点的LED光源[1]。但是LED光源在人眼舒适度方面存在缺陷：一方面，短波蓝光对人眼的伤害让其成为屏幕背后的隐形杀手，波长在400～500 nm的高能量蓝光会穿透晶状体到达视网膜，从而对视网膜细胞造成伤害；另一方面，LED背光光源需要通过快速的开、关循环调节屏幕明暗度，导致屏幕闪烁问题的产生，不容易被察觉的闪烁也会因为人们长时间使用电子屏幕造成眼睛疲劳、视线模糊等不适状况。

相比于液晶显示技术，无需背光高反射的电子纸显示技术最大的优点是阳光下可视效果好，没有死角。电子纸技术不仅可以实现像纸一样阅读舒适、超薄轻便、可弯曲，同时又可以像我们常见的液晶显示器一样不断转换刷新显示内容且具有节能的特点，成为显示领域关注的焦点。电子墨水技术是极具发展潜力的柔性电子显示技术之一，同时也是电子纸领域当前的主流技术。电子墨水是一种液态材料，在这种液态材料中悬浮着许多个与人类发丝直径差不多大小的微囊体，每个微囊体由正电荷粒子和负电荷粒子构成。当承载电子墨水的载体经过特殊的处理，在其内针对每个像素构造一个简单的像素控制电路，电子墨水就能显示出我们需要的图形和文字[2]。但目前的电子墨水技术仍然存在着不能彩色显示以及反应速度慢等问题，影响了其走向大众、走向实用。

目前，由英国牛津大学科学家率领的研究小组基于相变薄膜研发出一种柔性的具有纳米尺寸像素的显示器[3]，从而迎来了一个真正柔性的电子屏幕时代。这种显示器具有超高清分辨率、超低能耗、可弯曲的特点。相变层使显示器具有更好的颜色对比度，并且该显示器能够很容易地显示出多种色彩，其中也包括显示器所需要的基色。此外，这种显示器还能在更为省电的“彩色电子阅读器”模式和能够显示视频的背光模式之间轻松地切换[4]。这个研究是相变材料的光电特性在显示领域的第一个应用。

相变材料Ge2Sb2Te5(GST)在室温或者较低温度的操作系统下具备抗结晶的能力，即可以在非晶态时长期保持稳定；还能在高于结晶温度并低于熔点温度下快速完全结晶，即可以在非晶态时快速晶化[5]。相变材料是近年来的一个研究热点，国内外许多研究人员对其进行了广泛的研究。Khulbe等[6]发现，GeSbTe的溅镀非晶态薄膜需要一定的时间进行结晶过程，形成晶粒临界尺寸需要一个最短时间。顾四鹏等[7]研究了用直流溅射法制备的掺Sn的Ge2Sb2Te5薄膜，发现适当的Sn掺杂能大大增加薄膜热处理前后的反射率对比度，特别是在短波长(300～405 nm)区域的反射率对比度。Dimitrov等[8]向GeSbTe记录层中共掺氧氮，发现这样可以提高薄膜的晶化温度，信噪比和可擦性能优于未掺杂的记录层。虽然对相变材料的研究趋于成熟，但将相变材料的电学和光学特性用于显示技术，开发出具有节能健康、超高分辨率等潜在优势的显示器，的确是一次有意义的研究与探索。

基于相变材料的显示器件的研究才刚刚起步，关于色彩调控、器件结构设计、读写电路等方面的问题亟待解决。本文针对基于相变材料的显示器件的光学性质进行了研究，采用仿真的方法分析了反射型和透射型器件的结构与材料性能对其光学性能的影响。

2 器件结构及计算方法

2.1 器件结构类型

基于相变材料的显示器件采用了一种独特的三明治结构，被夹在中间的是一层相变材料，另外两层是透明导电薄膜。只需极小的电流，这块“三明治”就能显示图像。这种显示器件主要有反射型和透射型两种。相比于反射型器件，透射型器件没有反射层。图1为基于相变材料的反射型和透射型显示器件的结构示意图。

图1 基于相变材料的反射型(a)和透射型(b)显示器件

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

具体来说，器件通电后将会引起相变材料在晶态与非晶态之间的变化，相变材料状态不同则其复介电常数n、k不同，从而导致该器件反射光谱或者透射光谱的变化,并最终使器件呈现颜色的变化[9]。各层材料的种类以及厚度均会影响到器件的反射率或透射率。

要成为切实可行的显示器件用的相变材料，必须满足以下要求：读写速度快、室温稳定性好、易成膜、成分简单。与VO2、VO相比，相变材料GST的灵敏度高、相变速度快、室温稳定性好[9]，既可以在非晶态时长期保持稳定，又可以在非晶态时快速晶化，满足显示器件对相变材料的要求，更适合成为显示器件用的相变材料。透明导电薄膜对材料有以下要求：透光度高、导电性能良好、光学性能与GST相匹配、具有柔韧性[10]。常用的电极材料有FTO(F掺杂的SnO2)以及最近发展的石墨烯等[11]。而透明电极材料氧化铟锡(ITO)是当前应用最广泛的一种透明导电氧化物薄膜。ITO具有一系列优良的性能，如高的透明度(可见光透过率高达85%以上)、导电性能良好、电子迁移率高、加工性能好、膜层硬度高且既耐磨又耐腐蚀等[12]。反射层对材料的要求是其具有高反射率，Al、Au、Pt具有这样的特性，可作为反射层的备选材料。

器件最终的显示特性受到材料种类、厚度等多种因素的影响。我们研究了显示器件的光学特性传输矩阵的计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谱与器件结构的关系，包括GST层的厚度、ITO层的厚度、GST层的晶态与非晶态的变化等。

2.2 显示器件的光学特性传输矩阵的计算

电磁波通过该多层薄膜结构的反射系数和透射系数可通过传输矩阵的方法得到[13-14]。基于相变薄膜的显示器件的光学性质也可以通过该方法来研究。Ge2Sb2Te5的复折射率随着波长而变化[15]。将一束单色光照射在均匀的、各向同性的、无磁性的多层薄膜结构上，多层薄膜结构大约有m层，薄膜材料的复折射率为n。其中光线入射分为斜入射和垂直入射。如果电磁矢量在膜层交界面处满足切向分量连续的边界条件，那么可以采用一个2×2的矩阵来描述电磁场在光学薄膜中的传播规律。简单地说，这个多层的薄膜结构嵌入在两个半无限层面(j=0,j=m+1)之间,每一层的厚度为t,复折射率为nj=nj+ikj。Ijk描述的是光从层面j传输到层面k时其界面处的传输矩阵。

(1)

(2)

ξj=(2π/λ)nj。S是电场波矢量从层面j=0传到层面j=m+1时其膜界面处的传输矩阵，表示成电场波矢量的矩阵关系为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

第j层内任意位置x的总的电场强度表示如下：

(8)

3 结果与讨论

3.1 反射型器件

首先研究反射型器件的光学性能，反射型器件的结构及参数设定为10nmITO/7nmGST/tnmITO/100nmAl/SiO2，ITO的厚度分别取50，70，120，180nm。在不同ITO厚度下，GST的状态相应地由非晶态变为晶态。根据已设定的参数进行仿真，得到器件反射光谱图如图2所示。

由图2可知，无论GST是非晶态还是晶态，ITO在不同厚度下的反射型器件的反射光谱都有较大差异，器件显示出的颜色有较大变化。以晶态为例，t=50nm时，反射率最大所对应的波长在350nm之前，且离350nm较远，器件显示为黑色；t=70nm时，反射率最大对应的波长在350nm附近，器件显示为暗紫色；t=120nm时，反射率最大对应的波长在500 nm附近，显示为天蓝色；t=180 nm时,反射率最大对应的波长在675 nm附近，显示为橘黄色。这说明ITO层的厚度对器件的反射光谱影响较大，可以通过改变ITO层的厚度达到改变器件颜色的效果。同时，当GST由非晶态变化为晶态后，反射率最大对应的波长也有变化。当t=120 nm时，非晶态与晶态时反射率最大对应的波长分别为511 nm和506 nm，Δ=5 mm；当t=180 nm 时，反射率最大对应的波长分别为677 nm和664 nm，Δ=13 mm。可见，GST的晶态与非晶态的变化对器件显示的颜色也有影响，可通过改变GST的状态来改变器件显示的颜色。

图2GST在非晶态(a)与晶态(b)时的反射型器件的反射光谱

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

下面研究另外一个因素——GST的厚度对反射型显示器件颜色显示的影响。反射型器件结构为10 nm ITO/tnm GST/70 nm ITO/100 nm Al/SiO2。首先定义一个量

(9)

用来表示GST由非晶态变为晶态时，器件反射率的变化程度。Ram表示非晶态时的反射率，Rc表示晶态时的反射率。图3为不同GST厚度下的反射型器件反射率的变化率。其中GST 的厚度范围取1～15 nm，步长为1 nm。

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

由图3可知，在t<6 nm时，红色和橙色光波附近的光的反射率变化较大，但蓝色光波附近的光的反射率变化不大。总体来说，t<6 nm时，不同波长的光的反射率的变化很小。当t>6 nm后，无论是红色和橙色光波附近的光，还是蓝色和绿色光波附近的光，反射率的变化均慢慢变大。即t>6 nm后，不同波长的光的反射率的变化均较大。当t=12 nm时，综合所有波长的光的反射率的变化达到最大。从图3中也可以看出，GST的厚度超过12 nm 后，反射率的变化率呈下降趋势。这说明t=12 nm时，器件的颜色对比度最明显。另外，越小的厚度所消耗的电功率越低。即t=12 nm时，GST的晶态与非晶态的变化使器件有最好的颜色对比度且消耗较低的电能，可作为GST厚度的最优参数。

3.2 透射型器件

我们对透射型器件的光学性能也进行了研究，器件结构及参数设定为20 nm ITO/GST/40 nm ITO。图4为GST在非晶态与晶态时的器件的透射光谱，其中GST的厚度范围取5～95 nm。

由图4可知，无论GST为非晶态还是晶态，随着GST层厚度的增加，器件的透射率均下降。即随着GST的厚度的增加，薄膜器件的透明度降低。当GST的厚度小于20 nm时，器件的透射率下降得很快；当GST的厚度大于20 nm时，器件的透射率下降变慢。当GST 的厚度超过60 nm时，器件的光的透射率几乎为0，整个器件变得不透明。使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高。

图4 GST在非晶态(a)与晶态(b)时的透射型器件的透射光谱

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

定义一个量

(10)

用来表示GST由非晶态变为晶态时，器件的透射率的变化程度。Tam表示非晶态时的透射率，Tc表示晶态时的透射率。图5为不同厚度GST下的透射型器件透射率的变化情况。

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

根据仿真图形，对于大多数的波长的光，GST层的厚度在75～85 nm时的透射率的变化率最大，此时器件的颜色对比度最佳。然而，由于GST层的内部吸收，由图5的分析可知，在GST的厚度超过几纳米后，器件的透明度迅速下降。因此，器件的颜色对比度的提高是以牺牲器件的透明度为代价的。由此，可以选择5～10 nm的GST层作为透明度与对比度的最佳折中区域。

4 结 论

采用传输矩阵的计算模型研究了基于低维相变薄膜的反射型和透射型器件的光学性能与器件结构的关系。对于反射型器件，ITO层的厚度对器件的反射光谱影响较大，可以通过改变ITO层的厚度达到改变器件颜色的效果；GST的晶态与非晶态的变化对器件显示的颜色也有影响，GST的厚度为12 nm时，GST状态的变化使器件有最好的颜色对比度且消耗电能较少。对于透射型器件，通过使用超薄的GST薄膜，器件的透明度可以保持很高，器件的颜色对比度的提高是以牺牲器件的透明度为代价的。由此，可以选择5～10 nm的GST层作为透明度与颜色对比度的最佳折中区域。将相变材料的电学和光学特性用于显示技术，开发出具有节能健康、超高分辨率等潜在优势的显示器，是一次有意义的研究与探索。当这种超高清分辨率、可折叠可弯曲的显示技术发展成熟之后，未来有望在多功能眼镜、隐形眼镜、人造视网膜上获得应用。基于当前的发展状况，该项技术要想真正从实验室中走出并实现产业化，还需要克服许多的技术难题。其中，亟待解决的两个问题是如何提高器件的颜色对比度以及怎样实现彩色化。随着技术的不断提高，该技术的应用前景将会更加广阔，将有望用于各类穿戴式设备和移动终端。

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牛萍娟(1973-),女，河北石家庄人，博士，教授，2002年于天津大学获得博士学位，主要从事半导体光源与照明系统的研究。E-mail： pjniu@outlook.com

宁平凡(1982-)，男，山东济宁人，博士，讲师，2013年于天津大学获得博士学位，主要从事电子器件与固态照明技术的研究。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

天津市自然科学基金(15JCQNJC41800,14JCQNJC01000)； 国家自然科学基金(11404239)； 国家科技支撑计划(2014BAH03F01)资助项目

TH37

A

10.3788/fgxb20163712.1514