新型反射显示:基于等离子超体表面无光刻制程

等离子体超表面（Plasmonic Metasurfaces）是一项非常有希望用于反射式显示器的技术，相比于现有产品，基于该技术的反射式显示器具有更宽的色域和更高的空间分辨率。不过遗憾的是，到目前为止，这种等离子体技术的商业化一直都还存在问题，其颜色调节还很困难。

此外，该技术的实施还需要借助高成本的纳米光刻制造技术。解决这些问题一直都是彭佳龙研究小组的攻克方向，他们来自剑桥大学（英国剑桥）卡文迪许实验室的纳米光子学中心。

该小组的研究人员最近撰写了一篇关于该主题的文章，发表于2019年5月10日的科学进展。在介绍更具体的技术之前，这里先介绍一些背景资料，维基百科中有相关几个概念的定义：

超表面是指一种厚度小于波长的人造层状材料。它既可以是结构化的也可以是非结构化的，在水平维度上具有亚波长级别的图案。在电磁理论中，超表面通过特定的边界条件设定可以对电磁波进行调制。

等离子体纳米颗粒是这样一些颗粒，它们的电子（密度）由于介电 - 金属界面性质，可以与波长远大于颗粒尺寸的电磁辐射进行耦合。

通过施加激发信号以控制其周围介质的光学性质，研究人员可以让有源等离子体获得特定的显示颜色。“在结合导电聚合物或相变材料等电致变色材料后，等离子体超表面可以根据这些电致变色材料的电荷状态相应做出开关切换。”

该团队在其最新研究中尝试了上述方法的一种衍生方法，该衍生方法主要依赖多层等离子体复合结构的使用。在该衍生方法中，研究人员在等离子体间隙中填充了充当活性介电间隔层的电致变色纳米颗粒。

更具体地说，研究人员使用了由纳米颗粒（NPs）形成的电致变色NanoParticle-on-Mirror构造体（eNPoM），该构造体设计上被包裹在由PolyANIline（PANI）组成的导电聚合物壳体内。该壳体的厚度最大约为20nm，而这些粒子会进一步被涂覆在金镜（Au Mirror）上。

这种方法的关键设计在于“这些纳米颗粒在其各自的间隙内将光强烈地限制在其下面的镜面内，从而形成极小空间内的谐振腔”。这种设计同时还降低了反射光对入射光角度和偏振情况的敏感性。研究人员通过切换整个PANI壳体的电荷状态（即，氧化还原状态）就可以控制其所显示的颜色，从而快速地改变eNPoM共振光的散射颜色。

下图图示可以很好地说明eNPoM的结构和功能。

上述为eNPoM构造体的示意图，该结构可以根据金镜面基板上围绕每个Au NP的薄PANI壳体的氧化还原状态函数来改变所显示的颜色

该方法的一个优势特征是它允许开发人员通过“无光刻”的方法制作，精度更是可以达到亚纳米。在测试期间，这些纳米像素的表现如下：

散射光强度高，颜色均匀，不褪色；

光学对比度大于50％；

双稳态，单一状态持续时间在百秒以上；

显示颜色地波长调节范围超过100 nm；

能耗率为每像素9 fJ，即像素发光波长每1 nm的变动需要约0.2 fJ的能量；

刷新率大于50 Hz，足以满足商业视频应用的需求。

最后还有一点特别重要，据报道，这些性能特征可以从单纳米颗粒水平到大尺寸薄膜水平保持不变，不过采用这种设计的设备厚度需要在亚波长级别。

在他们的文章中，研究人员得出的结论是，他们的方法可以显示“生动均匀的色彩动态，这一效果在任何现有的等离子体色系中都无法实现。”