超薄的超構(gòu)表面顯示器會替代液晶顯示器LCD嗎？

當前，液晶顯示仍是電視、電腦顯示器中占據(jù)主導(dǎo)地位且最受歡迎的顯示技術(shù)，但未來其很難再實現(xiàn)大幅改進。最近的一項新研究表明，實現(xiàn)微觀“隱形斗篷”的超構(gòu)表面（metasurface）技術(shù)有望催生下一代新型超薄顯示器，其厚度僅約為人類頭發(fā)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(shù)依賴由背光持續(xù)照明的液晶單元。像素前后的偏振濾光器根據(jù)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(zhuǎn)，以打開和關(guān)閉光傳輸。

科學(xué)家們正在探索實現(xiàn)下一代平板顯示的候選技術(shù)——超構(gòu)表面。超構(gòu)表面經(jīng)過設(shè)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(gòu)表面和其他超構(gòu)材料的研究已經(jīng)實現(xiàn)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(xué)超構(gòu)材料具有周期性的亞波長圖案化結(jié)構(gòu)，其尺度小于其操縱的光波長。然而，超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)通常是靜態(tài)的。這對許多需要可變光學(xué)特性的應(yīng)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(gòu)表面的特性進行電調(diào)諧。然而，到目前為止，這些方法都無法同時實現(xiàn)顯示器和激光雷達等應(yīng)用所需要的速度、大尺寸、透明度以及固態(tài)可調(diào)節(jié)性。

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

用于原型顯示器的超構(gòu)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(gòu)表面像素與當前的硅芯片制造技術(shù)兼容，這使其生產(chǎn)成本較低?！痹撗芯抗餐髡?、諾丁漢特倫特大學(xué)工程教授Mohsen Rahmani說道。

這種新型全固態(tài)器件的核心由硅超構(gòu)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(gòu)表面由透明導(dǎo)電的380納米厚氧化銦錫條封裝，氧化銦錫條可以用作電驅(qū)動加熱器。

“超構(gòu)表面領(lǐng)域的一個重要研究方向是可重構(gòu)性?！奔~約城市大學(xué)（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(diào)整超構(gòu)表面的響應(yīng)，推動了該領(lǐng)域的發(fā)展。”

研究人員制作的四像素原型器件，可以在625微秒內(nèi)以低于5伏的電壓將其切換傳輸?shù)目梢姽夂徒?a href="http://ttokpm.com/tags/紅外/" target="_blank">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(shù)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(fā)表于Light: Science & Applications期刊。

可尋址超構(gòu)表面像素

相比LCD，這種超構(gòu)表面顯示器有何優(yōu)勢？

科學(xué)家們指出，這種新方案的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是穩(wěn)定性?！肮杓{米結(jié)構(gòu)以其耐用性而聞名，這也是其仍然是微電子芯片行業(yè)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(xué)（Australian National University）物理學(xué)教授Dragomir Neshev說，“我們在幾個月內(nèi)多次運行了原型樣品，沒有出現(xiàn)任何退化。”

Neshev表示，他們收到的關(guān)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(yīng)的數(shù)量級內(nèi)。通過進一步的工程設(shè)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?！?/p>

研究人員表示，這種新型超構(gòu)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(chǎn)線通過很少的改進就可以用超構(gòu)表面像素取代液晶像素。整合這項技術(shù)，不需要對生產(chǎn)線進行大額投資。

盡管超構(gòu)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(jīng)在大約一半的智能手機中獲得應(yīng)用，電視中的應(yīng)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(shù)入門級到中端顯示器的首選技術(shù)，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(chǔ)設(shè)施，但大多已經(jīng)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(gòu)表面顯示器更穩(wěn)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(gòu)商業(yè)化，將藍色OLED和量子點結(jié)合在一起，也就是“QD-OLED”。未來幾年，更高效的藍色OLED材料應(yīng)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(yè)界還在努力開發(fā)microLED和電致發(fā)光量子點技術(shù)。因此，總體而言，顯示行業(yè)并沒有失去創(chuàng)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(qū)動加熱器的尺寸、電輸入和冷卻方法來優(yōu)化他們的超構(gòu)表面顯示器。人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)也可以幫助設(shè)計更小、更薄、更高效的超構(gòu)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(nèi)打造一款能夠生成圖像的大尺寸超構(gòu)表面顯示器原型。他們希望在未來10年內(nèi)將其技術(shù)集成到公眾可以使用的平板顯示器中。

回顧OLED的發(fā)展歷史，聚合物材料的電致發(fā)光是在50年代發(fā)現(xiàn)的，30多年后展示了第一款實用器件，第一款商業(yè)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(yù)計在2025年之前還不會有大規(guī)模商業(yè)化的microLED顯示器上市。

鑒于LCD制造商在現(xiàn)有制造廠已經(jīng)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(shù)，讓他們老舊的LCD制造廠重獲新生。研究人員應(yīng)該盡一切可能確保超構(gòu)表面顯示器與現(xiàn)有的LCD制造基礎(chǔ)設(shè)施兼容。

審核編輯：劉清