超薄的超构表面显示器会替代液晶显示器LCD吗？

当前，液晶显示仍是电视、电脑显示器中占据主导地位且最受欢迎的显示技术，但未来其很难再实现大幅改进。最近的一项新研究表明，实现微观“隐形斗篷”的超构表面（metasurface）技术有望催生下一代新型超薄显示器，其厚度仅约为人类头发丝平均直径的1/100，分辨率有望达到液晶显示器（LCD）的10倍，但能耗则仅为LCD的一半。

LCD技术依赖由背光持续照明的液晶单元。像素前后的偏振滤光器根据光波的极性或偏振方向过滤光波，液晶单元可以按照这些滤光器的方向旋转，以打开和关闭光传输。

科学家们正在探索实现下一代平板显示的候选技术——超构表面。超构表面经过设计具有自然界不常见的功能，例如，能够以意想不到的方式弯曲光线。对超构表面和其他超构材料的研究已经实现了隐形斗篷，可以使物体隐身于光、声、热和其他类型的波。

旨在操纵光波的光学超构材料具有周期性的亚波长图案化结构，其尺度小于其操纵的光波长。然而，超构表面的结构通常是静态的。这对许多需要可变光学特性的应用（例如显示器）来说是一个障碍。

此前，已有研究很多不同的方法来对超构表面的特性进行电调谐。然而，到目前为止，这些方法都无法同时实现显示器和激光雷达等应用所需要的速度、大尺寸、透明度以及固态可调节性。

据麦姆斯咨询报道，在一项新的科学研究中，英国诺丁汉特伦特大学（Nottingham Trent University）的研究人员开发出一种与标准CMOS生产工艺兼容的电调谐超构表面。该研究依赖于硅的热光效应，即温度的变化会显著改变硅的光学特性。

用于原型显示器的超构表面像素比液晶单元更薄、分辨率更高、能耗更低

“我们的超构表面像素与当前的硅芯片制造技术兼容，这使其生产成本较低。”该研究共同作者、诺丁汉特伦特大学工程教授Mohsen Rahmani说道。

这种新型全固态器件的核心由硅超构表面组成，具体来说，是一层155纳米厚的薄膜，其中以精确阵列排列着78到101纳米宽的孔。该超构表面由透明导电的380纳米厚氧化铟锡条封装，氧化铟锡条可以用作电驱动加热器。

“超构表面领域的一个重要研究方向是可重构性。”纽约城市大学（City University of New York）研究生中心的电气工程师Andrea Alù评价称，“这项新成果提供了一种快速、高效且紧凑的方式来调整超构表面的响应，推动了该领域的发展。”

研究人员制作的四像素原型器件，可以在625微秒内以低于5伏的电压将其切换传输的可见光和近红外光量提高九倍，在不考虑其他因素的情况下，这至少相当于每秒1600帧。换句话说，这项技术的帧速率可以达到当前视频帧速率的10倍以上。这项研究成果已发表于Light: Science & Applications期刊。

可寻址超构表面像素

相比LCD，这种超构表面显示器有何优势？

科学家们指出，这种新方案的一个关键优势是稳定性。“硅纳米结构以其耐用性而闻名，这也是其仍然是微电子芯片行业最受欢迎材料的原因之一。”该研究共同作者、澳大利亚国立大学（Australian National University）物理学教授Dragomir Neshev说，“我们在几个月内多次运行了原型样品，没有出现任何退化。”

Neshev表示，他们收到的关于这项研究的一个常见问题是冷却速度，“这仍然在人眼响应的数量级内。通过进一步的工程设计，例如采用主动冷却方法，或在像素周围使用空气槽，可以显著提高冷却效果。”

研究人员表示，这种新型超构表面可以取代LCD显示器中的液晶层。同时，其不需要LCD中的偏振滤光器，而这耗费了LCD显示器中一半的光强度和能量。

Rahmani指出，目前的LCD生产线通过很少的改进就可以用超构表面像素取代液晶像素。整合这项技术，不需要对生产线进行大额投资。

尽管超构表面显示器很有前景，但OLED显示器是目前LCD最主要且有力的竞争对手，它也不需要液晶层。

OLED已经在大约一半的智能手机中获得应用，电视中的应用也终于开始起飞，笔记本电脑中的普及率也在上升。LCD不会完全被替代，很可能仍然是大多数入门级到中端显示器的首选技术，但LCD市场空间正在缩小。因此，尽管显示器制造商计划保留其LCD制造基础设施，但大多已经停止投资新的LCD制造厂。

Rahmani认为OLED“价格昂贵，寿命短”，而硅的寿命相对较长，所以硅超构表面显示器更稳定。

然而，OLED在成本、性能和制造工艺方面进展迅速。三星最近将一种用于电视和显示器的新型OLED架构商业化，将蓝色OLED和量子点结合在一起，也就是“QD-OLED”。未来几年，更高效的蓝色OLED材料应该会上市，有助于进一步提高其亮度、延长寿命并降低功耗。

此外，从长远来看，业界还在努力开发microLED和电致发光量子点技术。因此，总体而言，显示行业并没有失去创新的动力。

因此，为了打入显示器市场，研究人员希望通过改进电驱动加热器的尺寸、电输入和冷却方法来优化他们的超构表面显示器。人工智能（AI）和机器学习（ML）技术也可以帮助设计更小、更薄、更高效的超构表面显示器。此外，更小的像素尺寸也是方向之一。

研究人员的目标是在未来5年内打造一款能够生成图像的大尺寸超构表面显示器原型。他们希望在未来10年内将其技术集成到公众可以使用的平板显示器中。

回顾OLED的发展历史，聚合物材料的电致发光是在50年代发现的，30多年后展示了第一款实用器件，第一款商业化显示器则一直到21世纪初才得以进入市场。而对microLED显示器的研究始于21世纪初，预计在2025年之前还不会有大规模商业化的microLED显示器上市。

鉴于LCD制造商在现有制造厂已经累积投入了1000多亿美元，显示器制造商可能很乐意找到一种新技术，让他们老旧的LCD制造厂重获新生。研究人员应该尽一切可能确保超构表面显示器与现有的LCD制造基础设施兼容。

审核编辑：刘清