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第一作者：He Liu、Hao Yang

通訊作者：吳蔚

第一單位：南加州大學（美國）

研究亮點：

1.   提出了串聯結構（tandem architecture）的全色彩反射屏設計，并設計了用于串聯結構反射屏的可開關全介質光學超表面（switchable all-dielectric metasurfaces），為可穿戴及移動設備的高能耗及強光環境下閱讀體驗較差等問題提供了新的解決方案。

2.  基于提出的可開關全介質光學超表面的設計，利用納米壓印技術（Nanoimprint Lithography），制備了大面積（平均面積約5cm²）的metasurfaces，驗證了串聯結構全色彩反射屏的可行性。

反射顯示屏的前景及挑戰

智能移動設備和可穿戴設備在近些年得到了飛速的發展，極大地方便了我們的生活。但是這些設備的高能耗（待機時間短）和強光環境（如日光直射情況）下可視性差等問題也非常影響用戶的體驗。

目前廣泛使用的透射顯示屏（transmissive display）因為工作原理的原因很難解決這些問題。然而，反射顯示屏（reflective display）因為工作原理的不同，具有低功耗，強光下閱讀體驗好等優點。Amazon的kindle電紙書就是采用了反射顯示屏。既然反射顯示屏這么好，為什么沒用被應用到智能手機和可穿戴設備上呢？這是因為目前根本沒有成熟的全色彩反射顯示屏技術！之前提到的kindle，也只是應用了非全色彩反射顯示屏（只有黑白兩色）。

平行構架全色彩反射屏的缺陷

為什么沒有全色彩發射屏？在解釋這個問題前，讓我們來看看透射屏是怎么實現全色彩顯示的。傳統的全色彩透射顯示屏是將一個像素點等分為紅綠藍三份，通過三原色的疊加，就可以實現全色彩的現實。我們可以將這種設計稱為平行架構（Parallel Structure）。

如果平行架構直接應用到反射顯示屏上，會不會可行呢？答案是不行。這是因為，反射顯示屏完全是通過反射周圍環境光來實現顯示，如果將一個像素點等分為3份，如下圖1所示，那么每種顏色光的理論反射效率會被限制在33%，這會導致最終的顯示亮度非常低，達不到設計要求（而透視顯示屏可以通過增強內置光源的強度來解決這一問題）。

圖1 采用平行架構的全色彩顯示屏。理論最高反射效率被限制在33%，無法滿足設計要求。

成果簡介

有鑒于此，南加州大學吳蔚課題組提出了串聯結構的全色彩反射屏，并設計了用于串聯結構（Tandem architecture）反射屏的可開關全介質光學超表面，為可穿戴及移動設備的高能耗及強光環境下閱讀體驗較差等問題提供了新的解決方案。

圖2 基于switchable all-dielectric metasurfaces的串聯結構全色彩顯示屏和metasurfaces開關（以藍色為例）示意圖。

要點1：Switchable all-dielectric metasurfaces（可開關全介質光學超表面）的設計

如下圖3a所示，我們可以看出，串聯結構反射屏可以達到理論100%的反射效率，但是最大的問題在于，紅綠藍三色像素疊加在一起，為了實現全色彩的重現，必須使得每種顏色的像素都可以在“顯色”和“透明”兩種狀態切換。為此，研究人員通過精巧的設計，使用了可開關全介質光學超表面來構建像素。這種switchable metasurfaces在低折射率背景下顯色，高折射率背景下變得透明。

圖3 基于可開關全介質光學超表面的全色彩反射屏。

下圖4a是可開關全介質光學超表面的結構圖。Metasurfaces為兩層結構，上層為TiO₂，下層為SiO₂。圖4b-4f是模擬結果，可以看出，通過對metasurfaces的結構設計，switchable metasurfaces在顯色狀態（On State）下高效率（~90%）地反射藍或綠或紅光，在透明（Off State）狀態下保持高透射率。

圖4 可開關全介質光學超表面結構圖及模擬結果。

要點2：可開關全介質光學超表面的表征

基于上面的理論設計，研究人員利用納米壓印技術，制備了大面積（平均面積約5 cm²）的switchable all-dielectric metasurfaces。圖5展示了制備的switchable all-dielectric metasurfaces的顯色及透明狀態照片，以及相應的色域圖，SEM照片和實測光譜。

圖5 可開關全介質光學超表面照片，色域圖，SEN照片和實測光譜。

要點3：串聯可開關全介質光學超表面的顏色重現

利用制備的metasurfaces，研究人員驗證了串聯結構全色彩反射屏的可行性。如下圖6所示，利用不同顏色的疊加，八種顏色（黑，藍，綠，紅，黃，青，紫，白）可以被串聯結構metasurfaces重現。

圖6 串聯結構metasurfaces實現顏色重現。

要點4：可開關全介質光學超表面的其他優勢

此外，如圖7所示，該種switchable metasurfaces還具有大可視角度（達到60度可視角），高分辨率（分辨率達到6350 ppi），與目前透射顯示屏可疊加使用等優點。

圖7 Switchable all-dielectricmetasurfaces的大可視角度，高分辨率及與傳統透射顯示屏疊加使用可行性驗證。

小結

這項發明研究提出并驗證了基于可開關全介質光學超表面的全色彩反射屏。我們相信，將此項技術與電浸潤技術，封裝技術結合，可以實現革命性的全色彩反射屏，為當下蓬勃發展的智能移動和可穿戴設備產業再添助力！

參考文獻：

Liu H, Yang H, Wu W, et al. SwitchableAll-Dielectric Metasurfaces for Full-color Reflective Display. Advanced Optical Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adom.201801639

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201801639