新型电子全息显示器件研究

刘　静　王钰芝

摘 要：本文首先分析了新型电子全息显示器件的材料,然后设计了新型电子全息显示器件,并说明其优点。

关键词：铁电 电子全息 驱动电路

1.新型电子全息显示器件的材料

根据分析要到达全息电视显示的要求，高分辨全息显示器所需的材料必须具有如下功能:能够进行有效的电光转换且电光转换速度极快(纳秒级)，具有电光转换的存储记忆功能(电场去掉后仍能保存转换的信息)且在电场作用下能抹除记忆信息，记忆存储单元小(亚微米至纳米级)且相邻单元干扰小，对外界环境(特别是光)不敏感，材料光学特性(透射率、折射率、消光系数)须满足特定要求，材料的物理和化学稳定性好，与透光层、导带层、绝缘层甚至半导体层的相容性好，与微电子工艺兼容等性质。

当前铁电薄膜应用研究中最吸引人的是铁电薄膜在光电子学和集成光学中的应用[6]。随着现代信息技术的发展，急切期盼高速、大容量、实时或准实时的光电子信息处理系统，这种信息处理将电子学技术和光学技术紧密结合，从而能克服全光学系统或全电子学系统的缺陷。铁电薄膜除具有铁电、介电、压电、热释电性质外，还具有重要的电光特性，包括电光效应、非线性光学效应、光折变效应等。这些特性使铁电薄膜成为在光电子学和集成光学中应用的重要候选材料。目前在光阀、光开关、光谱滤色器、图像存储、图像显示等方面已经获得了广泛的应用。

铁电材料具有自发极化，且其自发极化与外场之间呈类似于铁磁材料的磁滞回线那样的关系，即铁电体具有电滞回线。当外加电场于铁电体上时，材料正向极化达到饱和极化值，关掉电场，极化值降为剩余极化;加反向电场于铁电体上时，材料极化反转达饱和极化值，关掉电场，极化值变为剩余极化。这样，在电场为0时存在两个自发极化值，它们呈两个同样稳定的状态，分别代表二进制数据系统中的“0”和“1”，这是铁电材料用于制作存储器的主要依据。由于不需要靠外加电场来保持记忆，因此，我们就是利用铁电材料极化开关特性的具有非易失性。设想能否利用铁电材料的这种电光特性制成一种新型的高分辨率(>1000lp/mm)、可电写入的空间光调制器件。由于这种记忆效应，在空间光调制器中不需要给每个光相位调制单元制作有源元件来保持信号，只需简单矩阵就可实现大规模点阵驱动。这样铁电电光材料就成为了空间光调制器设计的最佳选择。

2.新型电子全息显示器件的设计

利用铁电电光材料薄膜，设计了一种新型的电子全息显示器件。显示器件的结构包括基板，下电极，显示材料和上电极。下电极和上电极均为宽度一致且分布均匀的条状电极，并且下电极和上电极相互垂直，其特征是，显示材料为具有电光折变记忆效应的纳米铁电材料，且在所需要的波段透明。上电极可以是ITO(掺钢的氧化锡)、SnO2, ZnO等透明导电薄膜材料;下电极可以是SnO2, ZnO, ITO等透明导电材料，也可以是Pt, Au, Ti等不透明的金属导电材料。上下条状电极厚度可以是20-200纳米，宽度为0.05微米到20微米，间隔0.05微米到20微米。基板可以是玻璃、石英玻璃、铝酸斓、氧化镁等透明材料，也可以是硅片、绝缘体上的硅(SOI)等不透明材料。需要说明的是，当电子全息显示器件做成透射式电子全息显示器件时，其基板和下电极必须是透明材料;当电子全息显示器件做成反射式电子全息显示器件时，其基板可以是不透明的材料，下电极可以是透明材料，也可以是不透明材料。

3.新型电子全息显示器件的优点

由于所采用的铁电薄膜材料具有好的透明性和较显著的电光效应，通过控制铁电薄膜材料的晶粒尺寸在5-300纳米之间，铁电薄膜材料上下方均有条状电极 (宽度为0.05微米到20微米，间隔0.05微米到20微米)以对其施加电场从而调制其折射率的空间分布，使得本器件所提出的一种电子全息显示器件，其分辨率可以从50条/毫米到高达到10000条/毫米，其能够实现超高分辨率显示，主要是基于如下两个原因:

其一，由于纳米铁电材料的电畴可控制在5-50纳米范围内，只要电极条的加工精度能够达到纳米级，则用这种材料制作的电子全息电光显示器件，其象素单元尺寸亦可为纳米级。由于传统的陶瓷由平均尺寸为几微米的无规则取向的颗粒组成，材料本身最小单元较大，即使用纳米级的精细电极也不能在纳米尺度范围内有效控制材料的电畴转向，因而无法实现超高分辨率的电子全息成像。而对于纳米铁电薄膜，由于畴的尺寸在深亚微米(5-50纳米)量级，因而能够精确控制在纳米尺度范围内的电畴转向和折射率变化，从而可完全显示微米至亚微米级的精细全息干涉条纹。

其二，除了基于纳米铁电电光材料电畴结构尺寸更小之外，实现超高分辨率显示还基于铁电材料的另一个重要特性一一记忆效应。对于显示应用，通常希望具有短时间的存储性，因为这样就不需要对阵列的各个象素点施加维持电压，从而吧需要在每个象素点下制作额外的有源器件(组)。这样不仅仅使工艺简单，更重要的是没有额外元件占用空间，可以极大地提高象素密度，从而提高分辨率。而这正是LCD和DMD所不具备的。因此，利用纳米铁电薄膜，结合简单的矩阵电极结构，所制作的全息显示器件极限分辨率可达10,000条/毫米。该器件是一种电子全息显示器件，可以按照众所周知的方法将各层依次进行淀积、退火、光刻等处理，再加上相应的驱动电路和接口电路便可构成记录全息干涉条纹的超高分辨率电子全息显示器。

4.结论

在充分了解与理解显示驱动技术的基础上，对新型电子全息显示器件的显示原理和驱动方法进行了研究，得出了如下结论:该显示器件实质上就是一种电寻址平板显示器件，其显示原理与普通平板显示器件相类似，只是机理不同。借鉴其驱动技术，并针对本器件高分辨率的特性，提出了一种适合电子全息显示器件的驱动技术——分区分块的驱动方法，降低了交叉串扰;同时使其扫描线数减少。

参考文献：

[1]黄子强.液晶显示原理[M].国防工业出版社，2006