“隱形斗篷”物理特征在推動這些超高速原型機快速發展。

與當今顯示器的主導技術液晶相比，應用微小“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：科學與應用》在線雜志詳細介紹了這項研究，該研究介紹了一種工作電壓低于5伏的四像素設備原型。該設備能夠在短短625微秒以內，將其發射的可見光和近紅外光開關9次，該速度相當于每秒1600幀，幾乎是當今視頻的30倍。

液晶技術通過背景光照亮液晶單元來實現顯示效果。像素前后的偏振器可按照其極性或振動方向對光進行過濾。液晶單元可沿著這些濾波器的指向旋轉，實現光傳輸的開啟和關閉。“不過，目前液晶技術的改進大多都只是漸進式的。”法國里昂市場研究公司Yole Intelligence的高級行業分析師埃里克?維利（Eric Virey）說。

而這項新技術利用了超表面，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。

光學超材料能夠利用重復圖型的結構來操縱光，其結構尺度小于其影響的波長。不過，其結構通常是靜態的。這對許多應用來說是一個障礙，例如顯示器等需要可變的光學特性。

在這項新的研究中，研究人員利用可隨溫度發生顯著變化的硅光學特性，實驗了與標準互補金屬氧化物半導體（CMOS）生產技術兼容的電調諧超表面。

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，這項新工作“能夠以一種快速、高效、緊湊的方式調整超表面的響應，推動了這一領域的發展”。

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

科學家們指出，穩定是這種新方法的一個關鍵優勢。“硅納米結構以耐用而聞名，正因如此，它仍然是微芯片行業最受歡迎的材料。”該研究的共同作者、位于堪培拉的澳大利亞國立大學的物理學教授德拉戈米爾?內瑟夫（Dragomir Neshev）說，“我們在幾個月內多次運行了我們的原型樣品，沒有出現任何退化。”

新的超表面不需要任何偏光器，就能完成液晶現在所做的工作。這可以帶來重大的改進，因為偏光器會導致顯示器的背景光在到達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的工程教授莫森?拉赫莫尼（Mohsen Rahmani）說，只要進行最小限度的修改，就可以更新目前液晶顯示器的生產線，用超表面像素取代液晶像素。“我們的超表面像素兼容當前的硅芯片制造技術，這能夠將生產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”的現實削弱了這一優勢，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，對超表面器件進行優化。他們補充道，機器學習技術也有助于設計更小、更薄和更高效的超表面顯示器。紐約市立大學的阿魯指出，可以考慮尺寸更小的像素。

科學家們計劃在未來5年內建造一個足夠大的原型，用于生成圖像。他們希望在10年內，將技術集成到平板顯示器中，供公眾使用。由于液晶制造商在現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，讓老舊的液晶晶圓廠重獲新生。”維利說。

審核編輯：劉清