本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，顯示技術(shù)領(lǐng)域，微納加工領(lǐng)域，尤其涉及一種基于干涉效應(yīng)的非易失性像素單元。

背景技術(shù)：

在數(shù)千萬年前就有生物系統(tǒng)可以利用納米結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生在陽光下呈現(xiàn)不同顏色的表面，例如蝴蝶等多彩的昆蟲。其原理是納米結(jié)構(gòu)影響了照射在其表面的光的光路，導(dǎo)致干涉，選擇性反射等現(xiàn)象的發(fā)生，呈現(xiàn)出不同的顏色，并且這種顏色的呈現(xiàn)是被動(dòng)式的。這類納米結(jié)構(gòu)被用于制作超疏水材料，應(yīng)用于自清潔表面等。

相變材料，又稱硫系化合物，主要指的是VI族元素與III-V族元素組成的合金。這類合金具有可變的非晶態(tài)、多晶態(tài)等相態(tài)，并能夠在相態(tài)之間進(jìn)行納秒級(jí)轉(zhuǎn)變(10～30ns)。在不同相態(tài)下，其光學(xué)特性包括折射率與吸收系數(shù)具有相當(dāng)大的差異，其電學(xué)特性主要表現(xiàn)為電阻值也有相當(dāng)大的差異。在近30年，相變材料被廣泛用于多媒體光學(xué)存儲(chǔ)，如DVD中；近10年間，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，相變材料開始被應(yīng)用于高速非易失性存儲(chǔ)器中。

相變材料主要依靠焦耳熱的累積，完成非晶態(tài)與晶態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變。對(duì)相變材料施加較強(qiáng)的電脈沖、激光或熱傳導(dǎo)等熱激勵(lì)方式，當(dāng)材料的溫度超過熔化溫度后快速冷卻，材料呈現(xiàn)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，電阻阻值相對(duì)較大，對(duì)整個(gè)光譜的折射性能相對(duì)較好，透過性能相對(duì)較好；施加中等強(qiáng)度的熱激勵(lì)，當(dāng)材料的溫度僅超過結(jié)晶溫度后緩慢冷卻，材料呈現(xiàn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，電阻阻值相對(duì)較小，對(duì)整個(gè)光譜的折射性能相對(duì)較差，透過性能相對(duì)較差。因此，相變材料可以在不同相態(tài)下呈現(xiàn)不同的光學(xué)性能。

目前市場(chǎng)化的顯示技術(shù)主要包括液晶顯示器LCD及其分支，自發(fā)光顯示器OLED及其分支，以及電子紙E-paper三大類。其中，液晶顯示器和自發(fā)光顯示器在工作時(shí)，顯示畫面需要不斷通電保持，不屬于非易失性顯示方式。電子紙E-paper屬于非易失性顯示方式，其中最具代表性的技術(shù)是電子墨水E-ink，它采用有色帶電化學(xué)膠囊團(tuán)構(gòu)成像素，通過對(duì)膠囊的物理浮動(dòng)與數(shù)量變化顯示圖像，具有顯示保持功耗低、非易失性顯示、形態(tài)可彎曲卷曲等優(yōu)點(diǎn)；但相對(duì)LCD和OLED來說，E-ink目前的缺點(diǎn)是制備成本高、顯示畫面切換速度慢以及彩色實(shí)現(xiàn)較困難等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種由反射層、第一透明層、相變層構(gòu)成的非易失性像素單元，用于實(shí)現(xiàn)彩色非易失性顯示單元和顯示陣列。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于干涉效應(yīng)的非易失性像素單元，所述像素單元包括多個(gè)亞像素單元，所述亞像素單元包括反射層、位于反射層上的第一透明層、位于第一透明層上的相變層；多個(gè)亞像素單元中的第一透明層的光學(xué)常數(shù)不完全相同或厚度不完全相同。

進(jìn)一步地，所述相變層上方還有第二透明層，所述第一透明層和第二透明層均由導(dǎo)電材料構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述第一透明層選自ITO，ZnO，AZO等材料；所述第二透明層選自ITO，ZnO，AZO等材料。

進(jìn)一步地，所述亞像素單元還包括位于相變層一側(cè)或兩側(cè)的透明電極，透明電極與相變層相連。

進(jìn)一步地，所述任意兩個(gè)亞像素單元中的第一透明層的光學(xué)常數(shù)或厚度不相同。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)亞像素單元中的相變層不完全相同。

進(jìn)一步地，所述任意兩個(gè)亞像素單元中的相變層不相同。

進(jìn)一步地，亞像素元的面積為0.01μm²～0.25mm²。

進(jìn)一步地，所述相變層由相變材料構(gòu)成，所述相變材料選自GeSbTe、GeTeAsSi、GeTe、GeTeBi、GeTeAs、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg、AuSbTe、AuInTe、SiTeGe、SiSbTe、SbTe等合金材料。

進(jìn)一步地，所述像素單元包括4個(gè)亞像素單元，相變層均由GeSbTe構(gòu)成，第二透明層厚度均為15nm，相變層厚度為5nm，第一透明層和第二透明層均為ITO，4個(gè)亞像素單元中的第一透明層厚度分別為33nm、145nm、165nm、255nm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)的顯示單元，屬于非易失性顯示，采用了相態(tài)可變的相變材料，每個(gè)亞像素元在導(dǎo)電電極的電壓控制下可以顯示出兩種不同的顏色，通過陣列組合可以顯示出多種不同的顏色。同時(shí)本發(fā)明具有顯示保持功耗低、非易失性顯示、形態(tài)可彎曲卷曲等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)E-ink的顯示缺點(diǎn)：本發(fā)明設(shè)計(jì)的非易失性顯示單元，制備成本低、相態(tài)變化在納秒級(jí)完成，顯示畫面切換在10ms內(nèi)完成。此外，本發(fā)明的顯示像素面積可以在0.01μm²～0.25mm²之間，因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用實(shí)現(xiàn)超高分辨率顯示或者實(shí)現(xiàn)低成本大面積低分辨率顯示。本發(fā)明使用的導(dǎo)電層和相變材料厚度均在納米量級(jí)，易制備成柔性結(jié)構(gòu)，因此可以做在各種基材上，包括透明的玻璃、柔性可卷可彎抗拉伸的材料，這是傳統(tǒng)顯示器遠(yuǎn)不能達(dá)到的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種亞像素元示意圖；

圖2是本發(fā)明的另一種像素元示意圖；

圖3是本發(fā)明的一種顯示陣列示意圖；

圖4是本發(fā)明的一種驅(qū)動(dòng)電路示意圖；

圖5a～g表示相變層3與TFT控制電路的不同連接方式；

圖中，反射層1、第一透明層2、相變層3、第二透明層4、透明電極5。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開一種基于干涉效應(yīng)的非易失性像素單元，所述像素單元包括多個(gè)亞像素單元，還可以包括相變控制電路；所述亞像素單元包括反射層1、位于反射層1上的第一透明層2、位于第一透明層2上的相變層3；多個(gè)亞像素單元中的第一透明層2的光學(xué)常數(shù)不完全相同或厚度不完全相同。自然光射入顯示陣列表面，在空氣和表面的界面發(fā)生一次反射，在第一透明層2和反射層1界面發(fā)生一次反射，由于第一透明層2的光學(xué)常數(shù)不完全相同或厚度不完全相同，兩束反射光光程不同，產(chǎn)生干涉，并且出射光譜與光程差有關(guān)，因此調(diào)制第一透明層2即可得到不同顏色的亞像素元。在此基礎(chǔ)上，將相變層3與現(xiàn)有的相變控制電路，即TFT控制電路，相連后，可進(jìn)一步通過控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)相變層3的相變調(diào)控，實(shí)現(xiàn)二元顏色變化。

若像素單元包括n個(gè)亞像素單元，各個(gè)亞像素單元中的第一透明層2的光學(xué)常數(shù)或厚度各不相同，各個(gè)亞像素單元中的相變層3各不相同，則可實(shí)現(xiàn)n²種顏色，進(jìn)一步通過TFT控制電路對(duì)相變層顏色進(jìn)行調(diào)控，則可表達(dá)2×n²種顏色。

作為相變控制電路的TFT控制電路如圖4所示，每一個(gè)TFT動(dòng)作元件對(duì)應(yīng)一個(gè)上述的亞像素元，由柵線輸入信號(hào)控制TFT柵電極，作為相變用電壓的開關(guān)，從源線輸入電壓信號(hào)控制相變，當(dāng)TFT元件處于低阻抗時(shí)，電壓施加到顯示薄膜上，使相變材料薄膜發(fā)生相變。

從色彩多元化考慮，所述任意兩個(gè)亞像素單元中的第一透明層2的光學(xué)常數(shù)或厚度不相同。所述多個(gè)亞像素單元中的相變層3不完全相同，甚至于任意兩個(gè)亞像素單元中的相變層3不相同。

如圖5所示，相變層3與TFT控制電路相連的方式包括：

(1)直接與TFT控制電路相連；

(2)當(dāng)?shù)谝煌该鲗?為導(dǎo)電層時(shí)，可以通過第一透明層2與TFT控制電路相連；

(3)當(dāng)相變層3上方還有由導(dǎo)電材料構(gòu)成的第二透明層4，相變層3可以通過第二透明層4與TFT控制電路相連；

(4)當(dāng)具有透明電極5時(shí)，相變層3還可以通過第二透明層4與TFT控制電路相連；透明電極5一般平鋪在相變層3上，保證導(dǎo)電均勻性。

上述的相變材料層為第VI主族元素與第III～V主族元素組成的合金化合物，這種合金化合物具有可變的非晶態(tài)、多晶態(tài)等相態(tài)。其中的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，第VI主族元素與周圍的多個(gè)其他族元素原子之間形成共價(jià)鍵，形成多面體結(jié)構(gòu)，這些共價(jià)鍵有強(qiáng)有弱，在非晶化過程中較弱的共價(jià)鍵斷裂，晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)，這樣的共價(jià)鍵部分重組，使得相變材料能夠在相態(tài)之間進(jìn)行納秒級(jí)轉(zhuǎn)變(10～30ns)。在不同相態(tài)下，這種合金化合物的光學(xué)特性包括折射系數(shù)與吸收系數(shù)具有相當(dāng)大的差異，可用于改變每個(gè)亞像素元的狀態(tài)。

在可見光波段光學(xué)性能比較好的合金化合物有由Te或Se與Ge、Si、As、Sb中的一種或多種組成的合金化合物，其中VI主族元素為必要元素，與其他III～V主族元素組成二元、三元或四元的合金化合物。這類合金化合物的相態(tài)變化速度快、常溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不同相態(tài)的光學(xué)性能差異大。比如：GeSbTe合金系列材料中的Ge₂Sb₂Te₅，在非晶態(tài)時(shí)對(duì)短波長(zhǎng)光的反射率要比晶態(tài)時(shí)的反射率高，在晶態(tài)時(shí)對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的反射率要比非晶態(tài)時(shí)的反射率高，處于這兩種相態(tài)的Ge₂Sb₂Te₅材料薄膜會(huì)表現(xiàn)出兩種不同的顏色。其他同類的相變材料有GeTeAsSi、GeTe、GeTeBi、GeTeAs、InTe、AsSbTe、SeSbTe、GeSbTeN、GeSbTeSn、AgInSbTe、GeSbTeO、AsTeAg、AuSbTe、AuInTe、SiTeGe、SiSbTe、SbTe合金材料等。

用于連接控制電路與相變層3的材料為第III～V主族元素中的一種形成的單質(zhì)或多種按照任意配比組成的化合物。這種化合物透光性能和導(dǎo)電性能較好，并可以做成柔性結(jié)構(gòu)，典型的材料為ITO、ZnO、AZO、石墨烯等，導(dǎo)電電極可以同時(shí)充當(dāng)透明層的作用，例如ITO、ZnO、AZO等，也可以只作為電極，與透明層不使用同種材料，例如石墨烯加上任意透明介質(zhì)等。

上述的透明層厚度小于300nm。不同厚度的透明層對(duì)光的吸收量不同，厚度越大，對(duì)光的吸收量越多，并且厚度對(duì)亞像素元呈現(xiàn)出的顏色有極大的影響。當(dāng)大于300nm，會(huì)大幅削弱導(dǎo)電電極的透光性能，影響整個(gè)結(jié)構(gòu)顏色的顯示效果和導(dǎo)電效果。

本發(fā)明中的相變材料層在生長(zhǎng)的時(shí)候是非晶態(tài)，因此不受限于襯底，因此本技術(shù)理論上可以在包括傳統(tǒng)單晶/多晶硅襯底、玻璃襯底、高聚物襯底、金屬襯底上實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明中的薄膜結(jié)構(gòu)可以用磁控濺射等方法生長(zhǎng)，可以用光刻掩模、納米壓印等工藝制備像素陣列。例如使用射頻磁控濺射在基底上生長(zhǎng)ITO薄膜時(shí)，靶材直徑為60nm，In₂O₃:Sn₂O₂為90％：10％，濺射本底真空為2×10^-4Pa，功率為200W，濺射時(shí)間為300s、480s、800s、1200s時(shí)，厚度分別為50nm、70nm、120nm、180nm。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，列出一種亞像素元示意圖。在相變層3兩側(cè)加電極，可以通過施加電信號(hào)實(shí)現(xiàn)相變層在兩種相態(tài)之間轉(zhuǎn)變，不同相態(tài)的光學(xué)特性具有相當(dāng)大的差異，對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的反射率和折射率，起到調(diào)節(jié)整個(gè)亞像素元的可見光反射率的作用。第一透明層2的厚度可以調(diào)制，其厚度影響在不同面反射的光的光程，進(jìn)而影響干涉效應(yīng)對(duì)不同波長(zhǎng)光的增強(qiáng)和減弱效應(yīng)，使得亞像素元呈現(xiàn)出不同的顏色。

如圖2所示的一種由多個(gè)亞像素元組成的像素元，像素元中的n個(gè)(圖中為3個(gè))亞像素元的第一透明層2厚度不同，導(dǎo)致亞像素元呈現(xiàn)出不同的顏色。每個(gè)亞像素元可以在相變材料的控制下呈現(xiàn)出高反射率和低反射率的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著兩種顏色，因此單個(gè)像素元在不同狀態(tài)的亞像素元的組合下，可以有2ⁿ種(圖中為8種)可能的狀態(tài)。

如圖3所示的一種由圖2中所示的像素元組成的顯示陣列，可以通過底層電路調(diào)節(jié)每個(gè)像素元的狀態(tài)，使其呈現(xiàn)不同的顏色，經(jīng)過組合可以顯示出想要顯示的圖案。