[发明专利]一种基于相变材料的光子晶体结构色薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于相变材料的光子晶体结构色薄膜，所述薄膜的结构为：(HP)supgt;s/supgt;L(PH)supgt;s/supgt;，该薄膜的结构为以L为中心的对称结构，其中，H表示高折射率介质层，P表示相变层，L表示低折射率介质层，每组(HP)或(PH)构成等效高折射率单元，每组等效高折射率单元由高折射率介质层H和相变层P堆叠而成，s表示等效高折射率单元重复堆叠次数，s为正整数。本发明还提供了一种基于相变材料的光子晶体结构色薄膜的制备方法，通过相变层发生相变使制备的薄膜在相变前后都能拥有较大色差的结构色。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于相变材料的光子晶体结构色薄膜及其制备方法。

背景技术

可相变材料是指在一定温度范围内可以通过改变其温度引起材料物理结构发生改变，且具有几乎固定的相变温度。相变材料的工作原理是当环境温度高于相变温度时，其进行热量的储存；当环境温度低于相变温度时，它会释放其所储存的能量。目前相变材料已经广泛应用于储能、医学领域、数据存储领域等。在光学薄膜领域，相变材料多已应用在航天领域的吸热保温以及军事领域的中远红外伪装等。

可相变材料由其工作原理可知其主要的一些相变方法为直接或间接的对物体进行加热，可运用高温退火工艺、电加热、光刺激(激光脉冲相变)完成相变。为了衡量一个材料的相变性能，通常采用相变优度值(FOM)来定义其相变能力的好坏。FOM值越大，要求两种材料在非晶态和晶态下的折射率差越大；同时，薄膜在晶态下的消光系数也越小越好。为了让光子晶体薄膜呈现出较好的相变性能以及较高饱和度和更大的相变色差，需要采用相变材料，但目前基于相变材料在光学领域上的研究也比较少。

典型的相变材料如以Ge2Sb2Te5(简称GST)为代表的硫族半导体材料，GST材料可以通过电脉冲和光脉冲实现亚纳秒级的相变，由于其相变可以快速和反复地切换，其光学以及电气特性也能呈现两种不同的状态，这让其成为制作非易失性存储器的可靠材料。虽然GST材料在非易失性显示器、光学开关、光子存储器、全光学计算机等光子器件中有着广泛应用，但是在可相变薄膜结构色领域的应用就比较少。

在GST这一经典相变材料(PCM)的基础上进行掺杂和改性。经实验表明，将Ge2Sb2Te5中的部分Te用Se替代能减小材料在可见光区域的消光系数，从而增强所构成薄膜结构色的明度，但是过多的Se也同时会导致材料失去相变能力。Ge2Sb2Se4Te1(简称GSST)是在尽可能减少材料吸收的前提下，保证其具有可相变能力的临界材料。

GSST作为一种比经典相变材料GST具有显著光学性能优势的新型材料已经被运用于制作硅基三维波导模式光开关(CN114995010A)、基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器(CN216248399U)、基于DBS算法的可编程任意功率分配器(CN113191115A)等。但是在可相变薄膜结构色领域，GSST这种材料还有很大的运用前景。

专利号为CN202011061690的中国发明专利公开了一种兼具非易失性、多结构色、多档位及高透射率对比度的谐振腔膜系及制备方法，该复合双腔膜系运用了两种不同的PCM材料来达到高透射率和多档位的目标，并且两种PCM材料必须采用(GeTe)x(Sb2Te3)1-x的元素组成，考虑到GeTe和Sb2Te3的FOM值都不如GST以及GSST，故该膜系很难设计出明度高、饱和度高、相变差异大的结构色。

目前现有的一些新型电致变色材料被提出，例如CN202211003546设计的一种电致变结构色，通过调节外加电压大小和方向，可以控制金属颗粒在透明电极上沉积和溶解，从而改变其膜系结构中的厚度使其从可见光呈现透明色到有一定颜色。这种调节方法能够实现的颜色转变是非常有限的，并且是其相变颜色也是较为单一的，如何设计一个能够在不改变已生成薄膜结构的基础上完成较大颜色相变的薄膜是现阶段研究的一个热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于相变材料的光子晶体结构色薄膜，通过相变层发生相变使制备的薄膜在相变前后都能拥有较大色差的结构色。