當前，液晶顯示仍是電視、電腦顯示器中占據主導地位且最受歡迎的顯示技術，但未來其很難再實現大幅改進。最近的一項新研究表明，實現微觀“隱形斗篷”的超構表面（metasurface）技術有望催生下一代新型超薄顯示器，其厚度僅約為人類頭發絲平均直徑的1/100，分辨率有望達到液晶顯示器（LCD）的10倍，但能耗則僅為LCD的一半。

LCD技術依賴由背光持續照明的液晶單元。像素前后的偏振濾光器根據光波的極性或偏振方向過濾光波，液晶單元可以按照這些濾光器的方向旋轉，以打開和關閉光傳輸。

科學家們正在探索實現下一代平板顯示的候選技術——超構表面。超構表面經過設計具有自然界不常見的功能，例如，能夠以意想不到的方式彎曲光線。對超構表面和其他超構材料的研究已經實現了隱形斗篷，可以使物體隱身于光、聲、熱和其他類型的波。

旨在操縱光波的光學超構材料具有周期性的亞波長圖案化結構，其尺度小于其操縱的光波長。然而，超構表面的結構通常是靜態的。這對許多需要可變光學特性的應用（例如顯示器）來說是一個障礙。

此前，已有研究很多不同的方法來對超構表面的特性進行電調諧。然而，到目前為止，這些方法都無法同時實現顯示器和激光雷達等應用所需要的速度、大尺寸、透明度以及固態可調節性。

據麥姆斯咨詢報道，在一項新的科學研究中，英國諾丁漢特倫特大學（Nottingham Trent University）的研究人員開發出一種與標準CMOS生產工藝兼容的電調諧超構表面。該研究依賴于硅的熱光效應，即溫度的變化會顯著改變硅的光學特性。

用于原型顯示器的超構表面像素比液晶單元更薄、分辨率更高、能耗更低

“我們的超構表面像素與當前的硅芯片制造技術兼容，這使其生產成本較低。”該研究共同作者、諾丁漢特倫特大學工程教授Mohsen Rahmani說道。

這種新型全固態器件的核心由硅超構表面組成，具體來說，是一層155納米厚的薄膜，其中以精確陣列排列著78到101納米寬的孔。該超構表面由透明導電的380納米厚氧化銦錫條封裝，氧化銦錫條可以用作電驅動加熱器。

“超構表面領域的一個重要研究方向是可重構性。”紐約城市大學（City University of New York）研究生中心的電氣工程師Andrea Alù評價稱，“這項新成果提供了一種快速、高效且緊湊的方式來調整超構表面的響應，推動了該領域的發展。”

研究人員制作的四像素原型器件，可以在625微秒內以低于5伏的電壓將其切換傳輸的可見光和近紅外光量提高九倍，在不考慮其他因素的情況下，這至少相當于每秒1600幀。換句話說，這項技術的幀速率可以達到當前視頻幀速率的10倍以上。這項研究成果已發表于Light: Science & Applications期刊。

可尋址超構表面像素

相比LCD，這種超構表面顯示器有何優勢？

科學家們指出，這種新方案的一個關鍵優勢是穩定性。“硅納米結構以其耐用性而聞名，這也是其仍然是微電子芯片行業最受歡迎材料的原因之一。”該研究共同作者、澳大利亞國立大學（Australian National University）物理學教授Dragomir Neshev說，“我們在幾個月內多次運行了原型樣品，沒有出現任何退化。”

Neshev表示，他們收到的關于這項研究的一個常見問題是冷卻速度，“這仍然在人眼響應的數量級內。通過進一步的工程設計，例如采用主動冷卻方法，或在像素周圍使用空氣槽，可以顯著提高冷卻效果。”

研究人員表示，這種新型超構表面可以取代LCD顯示器中的液晶層。同時，其不需要LCD中的偏振濾光器，而這耗費了LCD顯示器中一半的光強度和能量。

Rahmani指出，目前的LCD生產線通過很少的改進就可以用超構表面像素取代液晶像素。整合這項技術，不需要對生產線進行大額投資。

盡管超構表面顯示器很有前景，但OLED顯示器是目前LCD最主要且有力的競爭對手，它也不需要液晶層。

OLED已經在大約一半的智能手機中獲得應用，電視中的應用也終于開始起飛，筆記本電腦中的普及率也在上升。LCD不會完全被替代，很可能仍然是大多數入門級到中端顯示器的首選技術，但LCD市場空間正在縮小。因此，盡管顯示器制造商計劃保留其LCD制造基礎設施，但大多已經停止投資新的LCD制造廠。

Rahmani認為OLED“價格昂貴，壽命短”，而硅的壽命相對較長，所以硅超構表面顯示器更穩定。

然而，OLED在成本、性能和制造工藝方面進展迅速。三星最近將一種用于電視和顯示器的新型OLED架構商業化，將藍色OLED和量子點結合在一起，也就是“QD-OLED”。未來幾年，更高效的藍色OLED材料應該會上市，有助于進一步提高其亮度、延長壽命并降低功耗。

此外，從長遠來看，業界還在努力開發microLED和電致發光量子點技術。因此，總體而言，顯示行業并沒有失去創新的動力。

因此，為了打入顯示器市場，研究人員希望通過改進電驅動加熱器的尺寸、電輸入和冷卻方法來優化他們的超構表面顯示器。人工智能（AI）和機器學習（ML）技術也可以幫助設計更小、更薄、更高效的超構表面顯示器。此外，更小的像素尺寸也是方向之一。

研究人員的目標是在未來5年內打造一款能夠生成圖像的大尺寸超構表面顯示器原型。他們希望在未來10年內將其技術集成到公眾可以使用的平板顯示器中。

回顧OLED的發展歷史，聚合物材料的電致發光是在50年代發現的，30多年后展示了第一款實用器件，第一款商業化顯示器則一直到21世紀初才得以進入市場。而對microLED顯示器的研究始于21世紀初，預計在2025年之前還不會有大規模商業化的microLED顯示器上市。

鑒于LCD制造商在現有制造廠已經累積投入了1000多億美元，顯示器制造商可能很樂意找到一種新技術，讓他們老舊的LCD制造廠重獲新生。研究人員應該盡一切可能確保超構表面顯示器與現有的LCD制造基礎設施兼容。

審核編輯：劉清