GST基可调谐滤色器的设计、仿真及理论分析

作     者：刘烽 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢中;周艳明

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：相变材料 Fabry-Perot腔 结构色 时域有限差分 薄膜干涉 

摘      要：金属基反射式滤色器由于能够实现高分辨率、不易褪色和无污染的结构色器件在颜色装饰、光学防伪和颜色打印等领域得到了广泛研究。但是到目前为止,大部分研究工作都聚焦在静态结构色,不能满足社会发展的需求。近年来,实现对基于光、热、电等环境敏感的智能材料结构色器件的动态调控成为了新的研究热点。我们结合GeSbTe(GST)相变材料和法布里-帕罗(Fabry-Perot,F-P)腔结构,系统模拟并分析了GST/SiO/Al和Au/GST/SiO/Ag结构用于动态结构色器件时的光学特性及作用机制。本论文的研究内容及成果有以下两点:(1)采用相变材料GST作为可转换的超薄损耗层设计了一种GST/SiO/Al三层薄膜堆积非对称F-P腔基的可调谐反射式滤色器。通过数值模拟和解析分析系统地研究了该平面薄膜结构用于结构色器件时的颜色调节能力和相应的转换机理。结果表明该滤色器的光谱选择特性可通过调控GST相变层在结晶态和非结晶态的可逆转换实现动态调节,且获得的颜色具有高亮度、高饱和度和较宽色域等特性,可以应用于比色传感、智能窗户、光学防伪和数据安全等领域。(2)设计了一种Au/GST/SiO/Ag四层薄膜组成的可调谐反射式滤色器。利用不对称F-P腔的共振行为,能够将顶层Au薄膜表面颜色从传统的黄色扩展至蓝色波长范围,在一定程度上抑制了Au电子的带间跃迁对呈现蓝色的限制。通过调节介电层SiO的厚度可以实现覆盖整个可见光区域的彩色Au膜,并且可以通过GST的相变和入射光的共振行为实现彩色Au膜的颜色调控。此外,我们深入研究了相变前后色域的变化、入射角度和偏振情况对反射颜色的影响、GST层和Au层厚度对反射光谱的影响等。最后,本论文对滤色器所获得的颜色进行了彩图重构展示。