新型電子全息顯示器件研究

劉　靜　王鈺芝

摘 要：本文首先分析了新型電子全息顯示器件的材料,然后設(shè)計了新型電子全息顯示器件,并說明其優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：鐵電 電子全息 驅(qū)動電路

1.新型電子全息顯示器件的材料

根據(jù)分析要到達全息電視顯示的要求，高分辨全息顯示器所需的材料必須具有如下功能:能夠進行有效的電光轉(zhuǎn)換且電光轉(zhuǎn)換速度極快(納秒級)，具有電光轉(zhuǎn)換的存儲記憶功能(電場去掉后仍能保存轉(zhuǎn)換的信息)且在電場作用下能抹除記憶信息，記憶存儲單元小(亞微米至納米級)且相鄰單元干擾小，對外界環(huán)境(特別是光)不敏感，材料光學(xué)特性(透射率、折射率、消光系數(shù))須滿足特定要求，材料的物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，與透光層、導(dǎo)帶層、絕緣層甚至半導(dǎo)體層的相容性好，與微電子工藝兼容等性質(zhì)。

當(dāng)前鐵電薄膜應(yīng)用研究中最吸引人的是鐵電薄膜在光電子學(xué)和集成光學(xué)中的應(yīng)用[6]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，急切期盼高速、大容量、實時或準實時的光電子信息處理系統(tǒng)，這種信息處理將電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，從而能克服全光學(xué)系統(tǒng)或全電子學(xué)系統(tǒng)的缺陷。鐵電薄膜除具有鐵電、介電、壓電、熱釋電性質(zhì)外，還具有重要的電光特性，包括電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、光折變效應(yīng)等。這些特性使鐵電薄膜成為在光電子學(xué)和集成光學(xué)中應(yīng)用的重要候選材料。目前在光閥、光開關(guān)、光譜濾色器、圖像存儲、圖像顯示等方面已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

鐵電材料具有自發(fā)極化，且其自發(fā)極化與外場之間呈類似于鐵磁材料的磁滯回線那樣的關(guān)系，即鐵電體具有電滯回線。當(dāng)外加電場于鐵電體上時，材料正向極化達到飽和極化值，關(guān)掉電場，極化值降為剩余極化;加反向電場于鐵電體上時，材料極化反轉(zhuǎn)達飽和極化值，關(guān)掉電場，極化值變?yōu)槭Ｓ鄻O化。這樣，在電場為0時存在兩個自發(fā)極化值，它們呈兩個同樣穩(wěn)定的狀態(tài)，分別代表二進制數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的“0”和“1”，這是鐵電材料用于制作存儲器的主要依據(jù)。由于不需要靠外加電場來保持記憶，因此，我們就是利用鐵電材料極化開關(guān)特性的具有非易失性。設(shè)想能否利用鐵電材料的這種電光特性制成一種新型的高分辨率(>1000lp/mm)、可電寫入的空間光調(diào)制器件。由于這種記憶效應(yīng)，在空間光調(diào)制器中不需要給每個光相位調(diào)制單元制作有源元件來保持信號，只需簡單矩陣就可實現(xiàn)大規(guī)模點陣驅(qū)動。這樣鐵電電光材料就成為了空間光調(diào)制器設(shè)計的最佳選擇。

2.新型電子全息顯示器件的設(shè)計

利用鐵電電光材料薄膜，設(shè)計了一種新型的電子全息顯示器件。顯示器件的結(jié)構(gòu)包括基板，下電極，顯示材料和上電極。下電極和上電極均為寬度一致且分布均勻的條狀電極，并且下電極和上電極相互垂直，其特征是，顯示材料為具有電光折變記憶效應(yīng)的納米鐵電材料，且在所需要的波段透明。上電極可以是ITO(摻鋼的氧化錫)、SnO2, ZnO等透明導(dǎo)電薄膜材料;下電極可以是SnO2, ZnO, ITO等透明導(dǎo)電材料，也可以是Pt, Au, Ti等不透明的金屬導(dǎo)電材料。上下條狀電極厚度可以是20-200納米，寬度為0.05微米到20微米，間隔0.05微米到20微米?；蹇梢允遣Ａ?、石英玻璃、鋁酸斕、氧化鎂等透明材料，也可以是硅片、絕緣體上的硅(SOI)等不透明材料。需要說明的是，當(dāng)電子全息顯示器件做成透射式電子全息顯示器件時，其基板和下電極必須是透明材料;當(dāng)電子全息顯示器件做成反射式電子全息顯示器件時，其基板可以是不透明的材料，下電極可以是透明材料，也可以是不透明材料。

3.新型電子全息顯示器件的優(yōu)點

由于所采用的鐵電薄膜材料具有好的透明性和較顯著的電光效應(yīng)，通過控制鐵電薄膜材料的晶粒尺寸在5-300納米之間，鐵電薄膜材料上下方均有條狀電極 (寬度為0.05微米到20微米，間隔0.05微米到20微米)以對其施加電場從而調(diào)制其折射率的空間分布，使得本器件所提出的一種電子全息顯示器件，其分辨率可以從50條/毫米到高達到10000條/毫米，其能夠?qū)崿F(xiàn)超高分辨率顯示，主要是基于如下兩個原因:

其一，由于納米鐵電材料的電疇可控制在5-50納米范圍內(nèi)，只要電極條的加工精度能夠達到納米級，則用這種材料制作的電子全息電光顯示器件，其象素單元尺寸亦可為納米級。由于傳統(tǒng)的陶瓷由平均尺寸為幾微米的無規(guī)則取向的顆粒組成，材料本身最小單元較大，即使用納米級的精細電極也不能在納米尺度范圍內(nèi)有效控制材料的電疇轉(zhuǎn)向，因而無法實現(xiàn)超高分辨率的電子全息成像。而對于納米鐵電薄膜，由于疇的尺寸在深亞微米(5-50納米)量級，因而能夠精確控制在納米尺度范圍內(nèi)的電疇轉(zhuǎn)向和折射率變化，從而可完全顯示微米至亞微米級的精細全息干涉條紋。

其二，除了基于納米鐵電電光材料電疇結(jié)構(gòu)尺寸更小之外，實現(xiàn)超高分辨率顯示還基于鐵電材料的另一個重要特性一一記憶效應(yīng)。對于顯示應(yīng)用，通常希望具有短時間的存儲性，因為這樣就不需要對陣列的各個象素點施加維持電壓，從而吧需要在每個象素點下制作額外的有源器件(組)。這樣不僅僅使工藝簡單，更重要的是沒有額外元件占用空間，可以極大地提高象素密度，從而提高分辨率。而這正是LCD和DMD所不具備的。因此，利用納米鐵電薄膜，結(jié)合簡單的矩陣電極結(jié)構(gòu)，所制作的全息顯示器件極限分辨率可達10,000條/毫米。該器件是一種電子全息顯示器件，可以按照眾所周知的方法將各層依次進行淀積、退火、光刻等處理，再加上相應(yīng)的驅(qū)動電路和接口電路便可構(gòu)成記錄全息干涉條紋的超高分辨率電子全息顯示器。

4.結(jié)論

在充分了解與理解顯示驅(qū)動技術(shù)的基礎(chǔ)上，對新型電子全息顯示器件的顯示原理和驅(qū)動方法進行了研究，得出了如下結(jié)論:該顯示器件實質(zhì)上就是一種電尋址平板顯示器件，其顯示原理與普通平板顯示器件相類似，只是機理不同。借鑒其驅(qū)動技術(shù)，并針對本器件高分辨率的特性，提出了一種適合電子全息顯示器件的驅(qū)動技術(shù)——分區(qū)分塊的驅(qū)動方法，降低了交叉串?dāng)_;同時使其掃描線數(shù)減少。

參考文獻：

[1]黃子強.液晶顯示原理[M].國防工業(yè)出版社，2006