基于相变材料的非易失性显示

The major objectives and tasks of this research project includes developing innovative multi-layer phase change display device structure, establishing relevant mathematical model, developing ingenious non-volatile solid-state phase change color display technology with pixelated structure. Besides, the goal of this project also includes educating 4-6 doctoral and graduate students, publishing 5-10 papers and applying for 5-10 patents..Modern mainstream commercialized dynamic display technologies mainly includes LCDs, OLEDs, and E-papers. Among these techniques, LCDs and OLEDs who require to be kept electrified constantly, are volatile display which results in high energy consumption. Furthermore, due to their complex structures, the cost is very high, especially for large area display. E-paper is an non-violate display with colored electric capsules as pixels. However, the disadvantages of E-paper are also obvious, such as very slow to switch (too slow for video application), difficult to manufacture, hard to realize colorized display etc. At present there is still no display technique can have all the following features simultaneously: no-violate, high speed (needed for video playing), low cost, easy fabrication, low energy consumption and colorful. The display technique we propose in this project have all the above-mentioned advantages. So this innovative technology can be used in a very wide range of information display applications, including e-book, cellphone screen, television screen, dynamic commercial board, dynamic decoration, camouflage, smart desktop, smart wallpaper, smart glass, exterior surface of building etc. Therefore, this new display has potential to become a revolutionary display technology.

本项目的主要研究目标和内容包括：研发具有独创性的多层相变显示单元器件结构，建立相关器件的数学模型，开发创新性的非易失彩色相变固态显示器技术，开发像素化的动态相变显示器样机，培养硕士生和博士生4~6名，发表5~10篇文章，申请专利5~10项。. 当今市场上主流的动态显示技术主要包括LCD及其分支，OLED及其分支，以及电子纸（E-paper）三大类。但目前还没有一项技术能够同时满足非易失性，高速度（用于Video），低成本，易制备，低能耗，易实现彩色的要求，因此制约了动态显示技术的应用领域。本项目开发的技术理论上可以满足上述所有要求。因为同时具有上述这些优势，本技术可以应用于领域非常广泛的信息显示场合中，包括电子书、手机显示、电视机、动态广告牌、室内动态装饰、迷彩、智能桌面、智能壁纸、智能玻璃、建筑智能外墙等，有潜力成为一种革命性的显示技术。

本课题首先研究了ITO材料的热致晶化现象和其与反射面结合的薄膜干涉效应，并深入研究了在基于相变材料设计的固态显示结构中，相变材料GST和导电材料ITO这两层材料各自所起到的作用，证明了改变顶层ITO厚度能有效改变相变显示涂层样品颜色，这是先前相变显示文献从未报道过的新发现。基于顶层ITO在整个结构干涉效应的重要作用，本文进一步提出了基于顶层ITO厚度和底层ITO厚度的双重厚度调制方法，该方法使原有的相变显示结构的有效色域面积增加了205%。同时也进行了仿真光学涂层结构颜色的相关工作，利用材料固有的光学性质参数，计算模拟得到多层薄膜的显示颜色。基于以上实验结果和仿真结果，发展出了一种同时利用GST和ITO特性，使显示性能更优化的新型显示器结构，还初步探索了利用相变材料的多级相变，实现光学涂层颜色的连续显示和更精细的调控。.为了实现环境友好型的光学涂层和更好的颜色调制能力，本课题提出了基于VO2的新型相变显示技术，展示了单个IVIP结构可以实现至少三色的动态切换，同时验证了VO2相变层在75nm至125nm厚度条件下可以保证IVIP结构具备更好的动态颜色变化能力。此外还提出了基于 Sb2S3 相变材料显示结构，利用强干涉效应实现了角度不敏感的反射结构色，并在共振波长处形成几乎完美的吸收特性，产生高纯度的颜色，通过热调控实现颜色的切换，在60°的宽视角范围内表现出角度不敏感的特性。并且使用空间混色原理制备基于不同亚像素单元的图案，扩大了颜色的显示范围。.针对电驱动的颜色调制等问题，提出了一种基于横向电驱动方式的相变显示，验证了颜色切换操作的可行性，横向电驱动结构可以实现更均匀的相变，允许微米尺度的大面积显示，开发了一种创新性的非易失彩色相变固态显示器技术。