超薄显示器的分辨率有望达到液晶显示器的10倍

“隐形斗篷”物理特征在推动这些超高速原型机快速发展。

与当今显示器的主导技术液晶相比，应用微小“隐形斗篷”物理特征制作而成的超薄显示器的分辨率有望达到液晶显示器的10倍，而能耗减少一半。 2023年2月22日，《光：科学与应用》在线杂志详细介绍了这项研究，该研究介绍了一种工作电压低于5伏的四像素设备原型。该设备能够在短短625微秒以内，将其发射的可见光和近红外光开关9次，该速度相当于每秒1600帧，几乎是当今视频的30倍。

液晶技术通过背景光照亮液晶单元来实现显示效果。像素前后的偏振器可按照其极性或振动方向对光进行过滤。液晶单元可沿着这些滤波器的指向旋转，实现光传输的开启和关闭。“不过，目前液晶技术的改进大多都只是渐进式的。”法国里昂市场研究公司Yole Intelligence的高级行业分析师埃里克•维利（Eric Virey）说。

而这项新技术利用了超表面，这种工程材料具有自然界中不常见的特征，例如它能够以出人意料的方式弯曲光线。足够弯曲的光线包裹在物体周围，产生物体不存在的错觉。这就是“隐形斗篷”背后的技巧。这种“隐形斗篷”可以隐藏物体，使其免受光、声、热和其他类型波的影响。

光学超材料能够利用重复图型的结构来操纵光，其结构尺度小于其影响的波长。不过，其结构通常是静态的。这对许多应用来说是一个障碍，例如显示器等需要可变的光学特性。

在这项新的研究中，研究人员利用可随温度发生显著变化的硅光学特性，实验了与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）生产技术兼容的电调谐超表面。

新器件的核心包含一个155纳米厚的薄膜，薄膜中制作了精密的孔阵列，每个孔的直径从78到101纳米不等。这种超表面被透明的氧化铟锡条包裹，氧化铟锡条作为电驱动加热器，改变热量就可改变这些阵列传输光的方式。

纽约市立大学研究生中心的电气工程师安德里亚•阿鲁（Andrea Alù，非该研究参与人员）说，这项新工作“能够以一种快速、高效、紧凑的方式调整超表面的响应，推动了这一领域的发展”。

“我发现这项工作很了不起，特别是动态修改超表面状态的能力，而且速度如此之快。”没有参加这项新研究的维利说，“这表明，超表面还有很多尚未探索的潜在应用和特性，我们可能只触及了表面。”

科学家们指出，稳定是这种新方法的一个关键优势。“硅纳米结构以耐用而闻名，正因如此，它仍然是微芯片行业最受欢迎的材料。”该研究的共同作者、位于堪培拉的澳大利亚国立大学的物理学教授德拉戈米尔•内瑟夫（Dragomir Neshev）说，“我们在几个月内多次运行了我们的原型样品，没有出现任何退化。”

新的超表面不需要任何偏光器，就能完成液晶现在所做的工作。这可以带来重大的改进，因为偏光器会导致显示器的背景光在到达观看者的眼睛之前损失一半。

该研究的合著者、英国诺丁汉伦特伦大学的工程教授莫森•拉赫莫尼（Mohsen Rahmani）说，只要进行最小限度的修改，就可以更新目前液晶显示器的生产线，用超表面像素取代液晶像素。“我们的超表面像素兼容当前的硅芯片制造技术，这能够将生产成本保持在较低水平。”他说。

尽管超表面显示器前途广阔，但维利提醒道，OLED显示器目前是液晶显示的主要竞争对手，它不需要液晶层，因此仍具有竞争力。但是，OLED“价格贵且寿命短”的现实削弱了这一优势，拉赫莫尼说。

目前，研究人员希望通过加热、冷却和电输入修补，对超表面器件进行优化。他们补充道，机器学习技术也有助于设计更小、更薄和更高效的超表面显示器。纽约市立大学的阿鲁指出，可以考虑尺寸更小的像素。

科学家们计划在未来5年内建造一个足够大的原型，用于生成图像。他们希望在10年内，将技术集成到平板显示器中，供公众使用。由于液晶制造商在现有晶圆厂中投入了超过1000亿美元资金，“显示器制造商也许乐意采用一种新的技术，让老旧的液晶晶圆厂重获新生。”维利说。

审核编辑：刘清