斯坦福大学Nature Materials：软超表面！

学术 2024-11-22 11:45 河南

研究背景

光正成为人与技术间传递信息的高效媒介。例如，通过智能手机和混合现实眼镜，光学显示器促进了信息消费的个性化。微型植入式设备也在生物光子学中开辟了应用，包括微创传感、内窥镜成像和光遗传学刺激。软材料因其灵活性、适应性和大的刺激响应特性，在这一领域展现出了优势。为了实现下一代人-光子界面，需要具有软材料能够动态操纵光波前形状的光电器件。

光学超表面作为实现这些目标的关键技术，通过雕刻密集的光散射纳米结构阵列来实现平面光学元件。然而，它们通常由刚性无机材料制成，其形状和光散射行为难以调整。动态电调谐虽然有利于与电子控制系统进行可扩展的集成，但在可见光范围内电折射效应较弱，且大范围调谐往往伴随着光吸收的增加。此外，将这些刚性光学材料集成到与人体兼容的软设备中也存在技术挑战。总的来说，这些限制促使人们寻找新的材料平台和调整超表面的概念。

研究成果

近日，美国斯坦福大学Mark L. Brongersma和Nicholas A. Melosh报道了一种电化学可调的软超表面，通过软导电聚合物的膨胀来改变超表面单元的形状和相关的共振响应。这种几何调谐方法有效解决了传统动态超表面在实现显著调谐和保持低光学损耗之间的矛盾。利用商用聚合物PEDOT:PSS，我们展示了在CMOS兼容电压（~1.5V）下运行的器件，实现动态、高分辨率颜色调谐和高衍射效率（>19%）光束控制。这些成果突显了软材料的可变形性如何能够实现一类适用于可穿戴技术的高性能超表面。相关研究工作以“Electrochemically mutable soft metasurfaces”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

研究内容

研究者利用市售导电聚合物PEDOT:PSS的电化学诱导膨胀特性，精确控制镜子上方金属纳米天线的高度（h），共同形成了FP型谐振器，其反射相位和振幅可以在可见光谱范围内动态操纵（图1a）。通过电化学膨胀物理改变谐振器的往返长度，比通过载流子密度调节材料折射率具有显著优势。这种方法避免了在实现调谐和避免损耗之间的权衡，并且能够在多个频率范围内灵活操作。尤其在可见光波段，这种功能尤为重要，因为可用的调谐机制较为有限，且光损耗通常较高。调谐材料在不引起实质性光学损失的情况下改变光相位的潜力，可以通过材料相关品质因数（FOM）来量化。在折射率调谐方法中，FOM定义为折射率实部（Δn）和虚部（Δk）变化的比率，即FOM=Δn/Δk。基于膨胀的相位调谐可以使用应变（ε-）诱导相变的类似度量来评估，即FOM=nε-/Δk。通过这些FOM，研究者证明了，与性能最高的电致变色和相变材料器件相比，利用软聚合物的可重构性来调整几何形状，在可见光波长下能够实现高达一个数量级的性能提升。利用这种低损耗调谐技术，以超薄的外形实现了高对比度的可见光光束控制设备，展示了其作为未来可穿戴式有源光子设备构建块的舒适性。

图1. EMuS超表面的工作原理和高分辨率彩色图案的主动调谐

图2. EMuS超表面可以调节光谱振幅和相位响应

图3. 用于离散光束控制的梯度EMuS超曲面的设计

图4. 可见光波长下高效、高对比度的光束控制

结论与展望

利用软聚合物显著的膨胀性，相较于电调谐材料指数，能够实现更大的路径长度调谐。从而实现大的反射相位变化，同时最小化动态超表面器件中常见的吸收损失，扩展了聚合物基光子学的功能。虽然电致变色聚合物已被用于电可调超表面，但其可调性受限于特定光谱区域和载流子密度等约束，导致在可见光波长下的折射率实部调制最小，效率低下，限制了此类设备的应用空间。相比之下，等离子体超表面通过强光-物质相互作用，实现了约19%的高衍射效率。我们控制金属元件之间分离的策略实现了对比度>95%的光束控制，并广泛适用于可见光范围之外的一系列重要的光谱区域。

这些指标突出了EMuS超表面在新兴领域中的实际应用，其中可见光的相位控制至关重要。例如，我们的方法可以直接在曲面智能眼镜或水凝胶隐形眼镜上实现可寻址全息术。我们的器件仅在±1.5V下运行，有利于与低压互补金属氧化物半导体芯片（0-3.3V）的兼容性，以及我们的超表面对高密度图案化的适应性。PEDOT:PSS的工业可用性及其在柔性电子设备和可穿戴显示器中的既定用途，将有助于其更广泛的应用。EMuS超表面所需的超薄（<100nm）金属薄膜具有良好的柔韧性和灵活性，适合于柔性电子产品。因此，我们的系统能够在柔性基板上实现超薄、亚微米涂层，为可穿戴设备的开发提供了极大的灵活性。

展望未来，EMuS超表面在电解质溶液中的操作能力，显示出与生理系统直接接触的潜力。PEDOT:PSS已广泛应用于植入式生物电子学，在生理浓度NaCl的水溶液中显示出明显的电压诱导肿胀。其他噻吩基聚合物在低电压（<0.5V）下在水性电解质中膨胀高达300%，可进一步提高EMuS超表面的性能。通过将光信号与离子电荷流耦合，EMuS超表面可以作为柔性可植入光转向装置的构建块，这对于光遗传学等领域具有重要意义。集成可调超表面的光纤探针，从而实现更精确的时空光遗传学或其他应用，如具有动态聚焦的内窥镜生物成像。这种低占地面积、柔软和有源的光子器件，为实现与人体的无缝光学接口打开大门。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02042-4

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