具有热切换相变材料的光学器件制造技术

本发明专利技术尤其涉及一种光学器件(1)，该光学器件包括层结构(2)，该层结构具有：导热的光学反射器(15)；导热间隔件(14)，该间隔件能够透射光并且被布置在反射器(15)的上方；以及相变材料(10)或PCM，被布置在间隔件(14)的上方并且具有至少两个能够可逆地切换的状态，在所述至少两个能够可逆地切换的状态中，PCM具有两个不同的折射率值。反射器(15)、间隔件(14)和PCM(10)沿着层结构的堆叠方向(z)被依次堆叠。光学器件进一步包括：加热元件(17)，相对于反射器(15)与PCM(10)相对，层结构(2)被配置成使PCM(10)与加热元件(17)电绝缘，同时该加热元件(17)经由反射器(15)和间隔件(14)与PCM(10)热连通；以及控制器(19，19a)，被配置成为加热元件(17)供能，以加热PCM(10)并且因而可逆地改变PCM(10)的折射率和/或吸收性。本发明专利技术还涉及相关光学器件(特别第，包括一个或多个像素的器件，每个像素由例如如上所述的一组层结构形成)和驱动方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有热切换相变材料的光学器件
技术介绍
本专利技术总体上涉及在各领域中应用的光学器件，从显示器中的像素到用于建筑和汽车应用中的智能玻璃。对所谓的相变材料(PCM)技术及其在光电器件中的使用已经进行了大量的研究，例如，在超高分辨率反射显示器、透视显示器和力传感器中的使用。PCM包括可以在多个相之间进行切换的材料。不同的相可以具有不同的光电特性。而且，已知双稳态的PCM，这是特别有吸引力的，因为在相变完成之后，不必连续地施加功率以使器件维持在新状态。然而，只有一小部分材料通常主动地参与到这种材料的电切换循环中，而材料的周围部分基本上保持不受影响。这种现象是已知的并且通常被称为“丝状切换(filamentaryswitching)”。尽管可以有利地将丝状切换用于一些应用，但是如可以实现的，这种现象将对PCM在不同切换状态之间的光学特性产生不利影响。这种现象通常发生在交叉电路(crossbarcircuit)配置中。在交叉电路中，将电压脉冲施加于该交叉电路，以使得电流流过条之间的PCM元件。通过切换过程在电极之间产生局部导电路径(即，“细丝”)。例如，可以制作一些非光学的电阻器件使其令人满意地工作，即使仅切换了材料的微小部分。然而，就光学特性而言，由于有源部分太小，所以交叉电路配置中的PCM像素可能不会被切换。因此，丝状切换阻碍了光学应用，例如，像素在显示器和智能玻璃中的光学应用。为了解决该问题并实现更大的切换部分，可以将PCM区域划分为纳米级像素。然而，这导致了像素数量的急剧增加。例如，对于显示器应用，由于切换机制需要尖锐的(例如，纳秒持续时间)电脉冲，因此上述方案需要以非常高的速度依次寻址大量(通常为数百万)像素。然而，这产生了新的工程挑战，因为用于寻址像素的电子外围驱动电路需要的计算量和电功率随着像素数量的增加而急剧增加。另外，已知使用热脉冲来切换PCM。例如，US2015098032公开了PCM显示器，其中，每个PCM像素由电加热器元件进行切换，该电加热器元件与PCM直接接触。PCM元件产生灰度。附加过滤元件为像素提供颜色。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术体现为一种光学器件。该器件包括层结构，该层结构具有：导热的光学反射器；导热(光学)间隔件，该间隔件能够透射光并且被布置在反射器的上方；以及相变材料或PCM，被布置在间隔件的上方并且具有至少两个能够可逆地切换的状态，在所述至少两个能够可逆地切换的状态中，PCM具有两个不同的折射率值和/或吸收性。反射器、间隔件和PCM沿着层结构的堆叠方向被依次堆叠。光学器件进一步包括加热元件，该加热元件相对于反射器与PCM相对。层结构被配置成使PCM与加热元件电绝缘，同时加热元件经由反射器和间隔件与PCM热连通。光学器件还包括控制器，该控制器被配置成为加热元件供能，以加热PCM并且因而可逆地改变所述PCM的折射率和/或吸收性。以上光学器件的结构被设计成能够利用两个光学功能，同时使得大部分的PCM能够被切换。加热元件提供切换能力。包括PCM的光学有源元件通过电绝缘屏障与加热元件隔开，该屏障是导热的。正如专利技术人已经意识到的，这可以切换大部分的PCM，同时保留光学有源子结构的有序层序列(即，PCM-间隔件-反射器)。能够可逆地切换的状态使PCM具有两个不同的折射率值和/或吸收值，以使得能够在光学特性(第一光学功能)方面具有第一自由度。同时，可以调节间隔件的厚度(或从一个层结构到另一层结构变化)，这使得能够在光学特性(第一光学功能)方面具有第二自由度。实际上，由于干涉效应取决于PCM的折射率和/或吸收性以及间隔件的厚度，因此，这使得可以利用反射率随光的波长而显著变化的事实。因此，由于间隔件(例如，赋予子像素“颜色”)，因此可以调谐器件的光学特性，而不需要附加的滤光片。下面列出的优选实施例提供了附加的优点，尤其是在切换(有利于大面积切换)和光学特性方面。首先，器件优选地被设计成使反射器的平均厚度介于50nm至1μm之间；使间隔件的平均厚度介于40nm至300nm之间；以及使PCM的平均厚度介于0.5nm至80nm之间。但优选地，PCM的平均厚度介于3nm至15nm之间。同时，由于本方法使得能够切换大部分的PCM，垂直于所述堆叠方向(z)的层结构的横向尺寸例如大于或等于0.35μm，或优选地大于或等于5μm。事实上，可以考虑更大的横向尺寸。优选地，器件还包括位于加热元件和反射器之间的电绝缘材料，该电绝缘材料被布置成使反射器与加热元件基本上电绝缘。在实施例中，控制器被进一步配置成向加热元件施加电流和/或电压，以为加热元件供能，从而加热PCM并由此可逆地改变PCM的折射率和/或吸收性，所述加热元件是电阻加热元件。优选地，器件还包括导电层，加热元件在层结构的水平处(atthelevelofthelayerstructure)被插入到所述导电层中，由此导电层的两个部件在解热元件的相应横向侧上并与加热元件接触，以及控制器包括两个端子，这两个端子与所述两个部件中相应的一个部件接触，以向加热元件施加所述电流和/或电压。控制器例如被配置成根据至少两个不同的信号为加热元件供能，以便加热元件(17)分别施加至少两个不同的热脉冲，并且可逆地将PCM分别切换到所述至少两个能够切换的状态。在优选实施例中，PCM包括以下化合物中的一种或多种化合物：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe以及AlSb。但优选地，PCM包括以下各种之一：Ge2Sb2Te5，GeTe和Ag3In4Sb76Te17。加热元件可以例如包括下列各项中的一项或多项：NiCrSi、NiCr、W、TiW、Pt、Ta、Mo、Nb和Ir。本专利技术可以进一步体现为一种包括一组层结构的光学器件，例如，形成像素的子像素。为此，器件包括一组导热的光学反射器以及一组导热的间隔件，每个间隔件位于反射器中相应的一个反射器的上方，其中，间隔件具有基本不同的厚度并且每个间隔件能够透射光。器件还包括一组相变材料或PCM，每个PCM位于间隔件中相应的一个间隔件的上方。一组PCM与间隔件和反射器组一起形成一组层结构。每个PCM具有至少两个能够可逆地切换的状态，在所述至少两个能够可逆地切换的状态中，该PCM具有两个不同的折射率值和/或吸收值。器件还包括一组加热元件，每个加热元件相对于反射器中相应的一个反射器与PCM中相应的一个PCM相对，经由反射器中相应的一个反射器和间隔件中相应的一个间隔件与PCM中所述相应的一个PCM进行热连通，但是与PCM中所述相应的一个PCM进行电绝缘。控制器被配置成为加热元件独立供能，以独立地加热PCM并且因而可逆地改变PCM的折射率和/或吸收性，由此，所属于PCM中的每个PCM的折射率和/或吸收性可通过控制器进行独立控制。此处，间隔件部分的尺寸不同，以为结构(或子像素)中的每个，赋予对进入每个子像素的光的不同的取决于波长的反射率(wavelength–dependentreflectivities)。即，在不需要附加的滤光片等的情况下，每个子像素可以点亮(由于在供能时的PCM切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学器件(1)，包括层结构(2)，所述层结构具有：导热的光学反射器(15)；导热间隔件(14)，能够透射光并且被布置在反射器(15)的上方；以及相变材料(10)或PCM，被布置在间隔件(14)的上方并且具有至少两个能够可逆地切换的状态，在所述至少两个能够可逆地切换的状态中，所述PCM具有两个不同的折射率值，其中，所述反射器(15)、所述间隔件(14)和所述PCM(10)沿着所述层结构的堆叠方向(z)被依次堆叠，并且其中，所述光学器件进一步包括：加热元件(17)，相对于所述反射器(15)与所述PCM(10)相对，所述层结构(2)被配置成使所述PCM(10)与所述加热元件(17)电绝缘，同时所述加热元件(17)经由所述反射器(15)和所述间隔件(14)与所述PCM(10)热连通；以及控制器(19，19a，30)，被配置成为所述加热元件(17)供能，以加热所述PCM(10)并且因而可逆地改变所述PCM(10)的折射率和/或吸收性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.04 EP 16000280.41.一种光学器件(1)，包括层结构(2)，所述层结构具有：导热的光学反射器(15)；导热间隔件(14)，能够透射光并且被布置在反射器(15)的上方；以及相变材料(10)或PCM，被布置在间隔件(14)的上方并且具有至少两个能够可逆地切换的状态，在所述至少两个能够可逆地切换的状态中，所述PCM具有两个不同的折射率值，其中，所述反射器(15)、所述间隔件(14)和所述PCM(10)沿着所述层结构的堆叠方向(z)被依次堆叠，并且其中，所述光学器件进一步包括：加热元件(17)，相对于所述反射器(15)与所述PCM(10)相对，所述层结构(2)被配置成使所述PCM(10)与所述加热元件(17)电绝缘，同时所述加热元件(17)经由所述反射器(15)和所述间隔件(14)与所述PCM(10)热连通；以及控制器(19，19a，30)，被配置成为所述加热元件(17)供能，以加热所述PCM(10)并且因而可逆地改变所述PCM(10)的折射率和/或吸收性。2.根据权利要求1所述的光学元件，其中：所述反射器(15)的平均厚度介于50nm至1μm之间；所述间隔件(14)的平均厚度介于40nm至300nm之间；以及所述PCM(10)的平均厚度介于0.5nm至80nm之间。3.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述层结构的垂直于所述堆叠方向(z)的横向尺寸大于或等于0.35μm，并且优选地大于或等于5μm。4.根据权利要求1、2或3所述的器件，进一步包括：介于所述加热元件(17)和所述反射器(15)之间的电绝缘材料(18)，所述电绝缘材料被布置成使所述反射器(15)与所述加热元件(17)基本上电绝缘。5.根据权利要求1至4中任一项所述的器件，其中，所述控制器(19)被配置成向所述加热元件(17)施加电流和/或电压，以为所述加热元件(17)供能，从而加热所述PCM(10)并且因而可逆地改变所述PCM(10)的折射率和/或吸收性，所述加热元件是电阻加热元件(17)。6.根据权利要求5所述的器件，其中：所述器件进一步包括导电层(21)，所述加热元件(17)在所述层结构(2)的水平处被插入到所述导电层中，由此所述导电层(21)的两个部件(211、212)在所述加热元件(17)的相应横向侧上并与所述加热元件接触；以及所述控制器(19)包括两个端子(191、192)，所述两个端子与所述两个部件(211、212)中相应的一个部件接触，以向所述加热元件(17)施加所述电流和/或所述电压。7.根据权利要求1至6中任一项所述的器件，其中，所述控制器(19)被配置成根据至少两个不同的信号来为所述加热元件(17)供能，以便所述加热元件(17)分别施加至少两个不同的热脉冲，并且可逆地将所述PCM(10)分别切换到所述至少两个能够切换的状态。8.根据权利要求1至7中任一项所述的器件，其中，所述PCM(10)包括以下化合物中的一种或多种化合物：GeSbTe、VOx、NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe以及AlSb。9.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述PCM(10)包括以下各项之一：Ge2Sb2Te5；GeTe；和Ag3In4Sb76Te17。10.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述PCM(10)的平均厚度介于3nm至15nm之间。11.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述加热元件(17)包括下列各项中的一项或多项：NiCrSi、NiCr、W、TiW、Pt、Ta、Mo、Nb和Ir。12.根据前述权利要求中任一项所述的器件，包括：一组导热的光学反射器(15)；一组导热间隔件(14)，每个间隔件位于所述反射器(15)中相应的一个反射器的上方，其中，所述间隔件具有基本不同的厚度并且每个所述间隔件能够透射光；一组相变材料(10)或PCM，每个PCM位于所述间隔件中相应的一个间隔件的上方，以与该组间隔件和该组反射器一起形成一组层结构(2、2a、2b)，其中，所述PCM中的每个P...

【专利技术属性】
技术研发人员：培曼·胡赛尼，哈里什·巴斯卡兰，本·布劳顿，
申请(专利权)人：博德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB