一种基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器及其制备方法与流程

1.本发明涉及颜色滤波器技术领域，具体涉及一种基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器及其制备方法。


背景技术：

2.结构色应用十分广泛，在自然界中也无处不在，如彩虹、蝴蝶的翅膀等等，它表现具有高分辨率、色域广和化学性能稳定等优点，被广泛应用于显示、成像和彩色印刷等领域。但是基于干涉、衍射和等离激元效应的结构色都属于静态结构色，在厚度、尺寸和周期等结构参数确定以后获得的结构色是固定不变的，并且结构制备完成后这些结构参数不再发生变化，限制了实际应用。且传统的染料滤色剂和色素滤色剂性能很容易受到高强度持久光照明和众多化学过程的影响。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器及其制备方法，通过氢等离子体增强化学气相沉，实现可调颜色输出，具有高效率、高空间分辨率和高稳定性的特点。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器，所述可切换颜色滤波器由上之下依次连接pmma层、第一ag薄膜层、igzo层、第二ag薄膜层，通过磁控溅射法结合退火工艺获得厚度为115~220nm的igzo层，通过电子束蒸发沉积厚度均为20nm的第一ag薄膜层、第二ag薄膜，将第一ag薄膜层涂覆在igzo层的上侧，将第二ag薄膜层涂覆在igzo层的下侧，在第一ag薄膜层上旋涂厚度为84nm的pmma层，用于补偿色彩饱和度，得到滤波器，将滤波器进行氢等离子体增强化学气相沉，得到可切换颜色滤波器。
5.进一步地，所述igzo层的制备过程具体为：采用igzo靶材，溅射背景真空为3.8
×
10
‑3pa，溅射功率为60～100w，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，且氩气与氧气的摩尔比为80:20，溅射气压为0.55～0.75pa，溅射时间为8~30 min，得到将溅射完的igzo薄膜，将igzo薄膜放到o2中进行退火处理，退火温度为300℃，退火时间2h，形成igzo层。
6.进一步地，所述igzo靶材由摩尔比为1:1:1的in、ga、zn组成。
7.进一步地，所述第一ag薄膜层、第二ag薄膜层通过以下方法制备得到：调节2ma的电流并确定电子束束斑在银坩锅内，调整银坩锅控制器使得束斑处于银坩锅中心位置并且使束斑面积与坩埚上口径相等，蒸发过程中维持束斑形状和大小不变，缓慢增大电流，当蒸发速率达到0.2 nm/s时，设置真空度为1.5
×
10
‑
3 pa，使用2.5kv的电子束进行蒸镀，当蒸镀到薄膜厚度为20nm时将电流减小至0，关闭电子束，15分钟后，得到ag薄膜。
8.进一步地，所述pmma层通过以下方法获得：在pmma粉末中加入苯甲醚，配置成质量浓度为8%的pmma溶液，搅拌均匀后，将pmma溶液滴至旋转台上的第一ag薄膜层上，先控制匀
胶机的转速为1000 rpm/min，旋涂10s；再将匀胶机的转速控制为5000rpm/min，旋涂50s，将第一ag薄膜层在80℃下烘干，得到pmma薄膜。
9.进一步地，所述氢等离子体增强化学气相沉的方法具体为：将滤波器放入氢等离子体增强化学气相沉积室中，通入流量为10 sccm的h2，控制等离子体增强化学气相沉积室内的气压为3.2 pa，在120
°
c下以200 w的射频功率执行h2等离子体处理5分钟，得到可切换颜色滤波器。
10.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明制备得到的滤波器厚度为115~220nm，可以获得高透射、高纯度的rgb三原色，且将滤波器厚度设置在该范围内，可将滤波器的颜色切换至可见光范围内的任意颜色；本发明中的igzo层上设有pmma层，以此来提高igzo层的色彩饱和度；本发明中的滤波器通过氢等离子体增强化学气相沉积，调节igzo层中的载流子浓度，从而改变igzo层中的电导率，实现结构色的动态调节，可以在滤波器的结构参数不再变化的情况下实现颜色切换。本发明可切换颜色滤波器能够广泛应用于平板显示器的薄膜晶体管、薄膜电路和传感器等。
附图说明
11.图1为本发明基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器的结构示意图；图2为本发明可切换颜色滤波器中igzo层的厚度分别为180nm、220nm和115nm时的透射光谱图；图3为本发明滤波器中igzo层的厚度分别为180nm、220nm和115nm时调节第一ag薄膜层、第二薄膜层的厚度时对应的透射光谱：图3中的（a）为igzo层厚度为180nm时调节第一ag薄膜层、第二薄膜层的厚度时对应的透射光谱，图3中的（b）为igzo层厚度为220nm时调节第一ag薄膜层、第二薄膜层的厚度时对应的透射光谱，图3中的（c）为igzo层厚度为115nm时调节第一ag薄膜层、第二薄膜层的厚度时对应的透射光谱；图4为本发明中滤波器igzo层的厚度分别为180nm、220nm和115nm时调整入射光角度对应的透射光谱图：图4中的（a）为igzo层的厚度为180nm时调整入射光角度对应的透射光谱图，图4中的（b）为igzo层的厚度为220nm时调整入射光角度对应的透射光谱图，图4中的（c）为igzo层的厚度为115nm时调整入射光角度对应的透射光谱图；图5为本发明滤波器在氢等离子体处理前后的透射光谱：图5中的（a）为氢等离子体处理前的透射光谱，图5中的（b）为氢等离子体处理后的透射光谱。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
13.如图1为本发明基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器的结构示意图，该可切换颜色滤波器由上之下依次连接pmma层、第一ag薄膜层、igzo层、第二ag薄膜层，通过磁控溅射法结合退火工艺获得厚度为115~220nm的igzo层，将igzo层的厚度设置在该范围内，滤波器能够实现可见光任意波长的共振，得到高透射、高纯度的结构色。通过电子束蒸发沉积厚度均为20nm的第一ag薄膜层、第二ag薄膜，将第一ag薄膜层涂覆在igzo层的上侧，将第二ag薄膜层涂覆在igzo层的下侧，作为金属反射镜，因为ag在可见光区域具有最高的反射率和最低的吸收率；在第一ag薄膜层上旋涂厚度为84nm的pmma层，pmma是一种有机玻璃，具
有较好的透明性、化学稳定性和较高的透光率等优点,可用于提高滤波器的透射效率，得到滤波器，将滤波器进行氢等离子体增强化学气相沉，得到可切换颜色滤波器。
14.本发明中的igzo层的制备过程具体为：采用igzo靶材，igzo靶材由摩尔比为1:1:1的in、ga、zn组成，溅射背景真空为3.8
×
10
‑3pa，溅射功率为60～100w，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，且氩气与氧气的摩尔比为80:20，溅射气压为0.55～0.75pa，溅射时间为8~30 min，得到将溅射完的igzo薄膜，将igzo薄膜放到o2中进行退火处理，退火温度为300℃，退火时间2h，形成igzo层。本发明通过磁控溅射法制备igzo薄膜具有工艺简单、溅射速率快、成膜温度低、薄膜均匀、装置性能稳定的特点，适合大面积批量生产。 此外，本发明的磁控溅射法通过调节溅射功率、基板温度、气压等，能很容易地控制igzo层的厚度和性能。
15.本发明中第一ag薄膜层、第二ag薄膜层通过以下方法制备得到：调节2ma的电流并确定电子束束斑在银坩锅内，调整银坩锅控制器使得束斑处于银坩锅中心位置并且使束斑面积与坩埚上口径相等，蒸发过程中维持束斑形状和大小不变，缓慢增大电流，当蒸发速率达到0.2 nm/s时，设置真空度为1.5
×
10
‑
3 pa，使用2.5kv的电子束进行蒸镀，当蒸镀到薄膜厚度为20nm时将电流减小至0，关闭电子束，15分钟后，得到ag薄膜。本发明中第一ag薄膜、第二ag薄膜均通过电子束蒸发法得到，具有经济环保、方法简单和实现大规模生产的特点，在工业中被广泛地运用于各种薄膜材料的制备。
16.本发明中pmma层通过以下方法获得：在pmma粉末中加入苯甲醚，配置成质量浓度为8%的pmma溶液，搅拌均匀后，将pmma溶液滴至旋转台上的第一ag薄膜层上，先控制匀胶机的转速为1000 rpm/min，旋涂10s；再将匀胶机的转速控制为5000rpm/min，旋涂50s，将第一ag薄膜层在80℃下烘干，得到pmma薄膜。该旋涂方法中先采用低转速旋涂，可以使得旋涂的薄膜更加均匀。
17.本发明中氢等离子体增强化学气相沉的方法具体为：将滤波器放入氢等离子体增强化学气相沉积室中，通入流量为10 sccm的h2，控制等离子体增强化学气相沉积室内的气压为3.2 pa，在120
°
c下以200 w的射频功率执行h2等离子体处理5分钟，得到可切换颜色滤波器。本发明中的滤波器通过氢等离子体增强化学气相沉，调节igzo层中的载流子浓度，从而改变igzo层中的电导率，实现结构色的动态调节。
实施例
18.本发明提供了一种基于掺杂铟镓锌氧化物的可切换颜色滤波器，通过以下步骤制备得到：（1）采用igzo靶材，igzo靶材由摩尔比为1:1:1的in、ga、zn组成，溅射背景真空为3.8
×
10
‑3pa，设置溅射功率为60~100w，溅射时通入的气体为氩气和氧气的混合气体，且氩气与氧气的摩尔比为80:20，溅射气压为0.55~0.75pa，分别溅射时长为8min、18min、30 min，得到将溅射完的igzo薄膜，将igzo薄膜放到o2中进行退火处理，退火温度为300℃，退火时间2h，形成igzo层；该igzo层的厚度分别为115nm、180nm、220nm。
19.（2）调节2ma的电流并确定电子束束斑在银坩锅内，调整银坩锅控制器使得束斑处于银坩锅中心位置并且使束斑面积与坩埚上口径相等，蒸发过程中维持束斑形状和大小不变，缓慢增大电流，当蒸发速率达到0.2 nm/s时，设置真空度为1.5
×
10
‑
3 pa，使用2.5kv的
电子束进行蒸镀，当蒸镀到薄膜厚度为20nm时将电流减小至0，关闭电子束，15分钟后，得到第一ag薄膜，第二ag薄膜也通过上述方法制备得到；将第一ag薄膜设置于igzo层的上侧，将第二ag薄膜设置于igzo层的下侧。本发明中还探测第一ag薄膜、第二ag薄膜厚度对滤波器透光性的影响，如图3中（a）
‑
（c）所示，分别是在蓝色、绿色和红色下，不同ag薄膜厚度对应的透射光谱，随着ag薄膜的厚度增加，进入igzo层的光强变小，导致透射率很低；而ag薄膜厚度太薄时，透射波长产生明显红移，半峰全宽增大，导致偏离原来的颜色，因此ag薄膜厚度设置为20nm。
20.（3）在pmma粉末中加入苯甲醚，配置成质量浓度为8%的pmma溶液，搅拌均匀后，将pmma溶液滴至旋转台上的第一ag薄膜层上，先控制匀胶机的转速为1000 rpm/min，旋涂10s；再将匀胶机的转速控制为5000rpm/min，旋涂50s，将第一ag薄膜层在80℃下烘干，得到滤波器。
21.如图2，当滤波器中igzo层的厚度为115nm时，采用垂直光入射，其共振波长为671nm，透射率为63.6%，对应于rgb为红色；当滤波器中igzo层的厚度为180nm时，采用垂直光入射，其共振波长为462nm，透射率为73.9%，对应于rgb为蓝色；当滤波器中igzo层的厚度为220nm时，采用垂直光入射，其共振波长为535nm，透射率为71.4%，对应于rgb为绿色；通过改变igzo层的厚度可以实现滤波器的颜色变化。如图4，调整入射光角度分别为0
°
、20
°
、40
°
、60
°
时，当滤波器中igzo层的厚度分别为115nm、180nm、220nm时的透射光谱图如图4中的（a）
‑
（c），当入射光角度在0
°
~60
°
变化时，每个滤波器的共振峰只是发生了轻微蓝移，对滤波器的颜色变化不大，即入射光角度对滤波器颜色变化无影响。
22.（4）将滤波器放入氢等离子体增强化学气相沉积室中，通入流量为10 sccm的h2，控制等离子体增强化学气相沉积室内的气压为3.2 pa，在120
°
c下以200 w的射频功率执行h2等离子体处理5分钟，得到可切换颜色滤波器，具体地，当滤波器中igzo层的厚度为115nm，滤波器的颜色由红色变为绿色；当滤波器中igzo层的厚度为180nm时，滤波器的颜色由蓝色变为品红色；当滤波器中igzo层的厚度为220nm时，滤波器的颜色由绿色变为紫色。
23.如图5为滤波器在氢等离子体处理前后的透射光谱，由图5中的（a）可以看出，滤波器在氢等离子体处理前，随着igzo层的厚度变化，当igzo的厚度以15nm为步长从115nm增加到220nm时，共振波长会发生偏移，共振波长分别为670nm、731nm、791nm、427nm、453nm、479nm、508nm和535nm，由图5中的（b）可以看出，通过氢等离子体处理滤波器后，使得igzo层中的载流子浓度发生变化，从而改变igzo层中的电导率，共振波长分别为539nm、584nm、630nm、677nm、725nm、404nm、423nm和442nm，当igzo的厚度确定后，通过氢等离子体处理滤波器后，对于相同厚度的igzo层，共振波长发生了明显偏移，从而实现结构色的动态调节；通过本发明的方法，在不改变现有滤波器的结构基础上，实现滤波器的结构色的动态切换。
24.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。