“隱形斗篷”物理特征在推動這些超高速原型機(jī)快速發(fā)展。

與當(dāng)今顯示器的主導(dǎo)技術(shù)液晶相比，應(yīng)用微小“隱形斗篷”物理特征制作而成的超薄顯示器的分辨率有望達(dá)到液晶顯示器的10倍，而能耗減少一半。 2023年2月22日，《光：科學(xué)與應(yīng)用》在線雜志詳細(xì)介紹了這項(xiàng)研究，該研究介紹了一種工作電壓低于5伏的四像素設(shè)備原型。該設(shè)備能夠在短短625微秒以內(nèi)，將其發(fā)射的可見光和近紅外光開關(guān)9次，該速度相當(dāng)于每秒1600幀，幾乎是當(dāng)今視頻的30倍。

液晶技術(shù)通過背景光照亮液晶單元來實(shí)現(xiàn)顯示效果。像素前后的偏振器可按照其極性或振動方向?qū)膺M(jìn)行過濾。液晶單元可沿著這些濾波器的指向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)拈_啟和關(guān)閉。“不過，目前液晶技術(shù)的改進(jìn)大多都只是漸進(jìn)式的。”法國里昂市場研究公司Yole Intelligence的高級行業(yè)分析師埃里克?維利（Eric Virey）說。

而這項(xiàng)新技術(shù)利用了超表面，這種工程材料具有自然界中不常見的特征，例如它能夠以出人意料的方式彎曲光線。足夠彎曲的光線包裹在物體周圍，產(chǎn)生物體不存在的錯覺。這就是“隱形斗篷”背后的技巧。這種“隱形斗篷”可以隱藏物體，使其免受光、聲、熱和其他類型波的影響。

光學(xué)超材料能夠利用重復(fù)圖型的結(jié)構(gòu)來操縱光，其結(jié)構(gòu)尺度小于其影響的波長。不過，其結(jié)構(gòu)通常是靜態(tài)的。這對許多應(yīng)用來說是一個障礙，例如顯示器等需要可變的光學(xué)特性。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員利用可隨溫度發(fā)生顯著變化的硅光學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)了與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）生產(chǎn)技術(shù)兼容的電調(diào)諧超表面。

新器件的核心包含一個155納米厚的薄膜，薄膜中制作了精密的孔陣列，每個孔的直徑從78到101納米不等。這種超表面被透明的氧化銦錫條包裹，氧化銦錫條作為電驅(qū)動加熱器，改變熱量就可改變這些陣列傳輸光的方式。

紐約市立大學(xué)研究生中心的電氣工程師安德里亞?阿魯（Andrea Alù，非該研究參與人員）說，這項(xiàng)新工作“能夠以一種快速、高效、緊湊的方式調(diào)整超表面的響應(yīng)，推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展”。

“我發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)工作很了不起，特別是動態(tài)修改超表面狀態(tài)的能力，而且速度如此之快。”沒有參加這項(xiàng)新研究的維利說，“這表明，超表面還有很多尚未探索的潛在應(yīng)用和特性，我們可能只觸及了表面。”

科學(xué)家們指出，穩(wěn)定是這種新方法的一個關(guān)鍵優(yōu)勢。“硅納米結(jié)構(gòu)以耐用而聞名，正因如此，它仍然是微芯片行業(yè)最受歡迎的材料。”該研究的共同作者、位于堪培拉的澳大利亞國立大學(xué)的物理學(xué)教授德拉戈米爾?內(nèi)瑟夫（Dragomir Neshev）說，“我們在幾個月內(nèi)多次運(yùn)行了我們的原型樣品，沒有出現(xiàn)任何退化。”

新的超表面不需要任何偏光器，就能完成液晶現(xiàn)在所做的工作。這可以帶來重大的改進(jìn)，因?yàn)槠馄鲿?dǎo)致顯示器的背景光在到達(dá)觀看者的眼睛之前損失一半。

該研究的合著者、英國諾丁漢倫特倫大學(xué)的工程教授莫森?拉赫莫尼（Mohsen Rahmani）說，只要進(jìn)行最小限度的修改，就可以更新目前液晶顯示器的生產(chǎn)線，用超表面像素取代液晶像素。“我們的超表面像素兼容當(dāng)前的硅芯片制造技術(shù)，這能夠?qū)⑸a(chǎn)成本保持在較低水平。”他說。

盡管超表面顯示器前途廣闊，但維利提醒道，OLED顯示器目前是液晶顯示的主要競爭對手，它不需要液晶層，因此仍具有競爭力。但是，OLED“價格貴且壽命短”的現(xiàn)實(shí)削弱了這一優(yōu)勢，拉赫莫尼說。

目前，研究人員希望通過加熱、冷卻和電輸入修補(bǔ)，對超表面器件進(jìn)行優(yōu)化。他們補(bǔ)充道，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也有助于設(shè)計更小、更薄和更高效的超表面顯示器。紐約市立大學(xué)的阿魯指出，可以考慮尺寸更小的像素。

科學(xué)家們計劃在未來5年內(nèi)建造一個足夠大的原型，用于生成圖像。他們希望在10年內(nèi)，將技術(shù)集成到平板顯示器中，供公眾使用。由于液晶制造商在現(xiàn)有晶圓廠中投入了超過1000億美元資金，“顯示器制造商也許樂意采用一種新的技術(shù)，讓老舊的液晶晶圓廠重獲新生。”維利說。

審核編輯：劉清