“隱形斗篷”物理特征在推動(dòng)這些超高速原型機(jī)快速發(fā)展。
與當(dāng)今顯示器的主導(dǎo)技術(shù)液晶相比,應(yīng)用微小“隱形斗篷”物理特征制作而成的超薄顯示器的分辨率有望達(dá)到液晶顯示器的10倍,而能耗減少一半。 2023年2月22日,《光:科學(xué)與應(yīng)用》在線雜志詳細(xì)介紹了這項(xiàng)研究,該研究介紹了一種工作電壓低于5伏的四像素設(shè)備原型。該設(shè)備能夠在短短625微秒以內(nèi),將其發(fā)射的可見(jiàn)光和近紅外光開(kāi)關(guān)9次,該速度相當(dāng)于每秒1600幀,幾乎是當(dāng)今視頻的30倍。
液晶技術(shù)通過(guò)背景光照亮液晶單元來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示效果。像素前后的偏振器可按照其極性或振動(dòng)方向?qū)膺M(jìn)行過(guò)濾。液晶單元可沿著這些濾波器的指向旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)拈_(kāi)啟和關(guān)閉。“不過(guò),目前液晶技術(shù)的改進(jìn)大多都只是漸進(jìn)式的?!狈▏?guó)里昂市場(chǎng)研究公司Yole Intelligence的高級(jí)行業(yè)分析師埃里克?維利(Eric Virey)說(shuō)。
而這項(xiàng)新技術(shù)利用了超表面,這種工程材料具有自然界中不常見(jiàn)的特征,例如它能夠以出人意料的方式彎曲光線。足夠彎曲的光線包裹在物體周圍,產(chǎn)生物體不存在的錯(cuò)覺(jué)。這就是“隱形斗篷”背后的技巧。這種“隱形斗篷”可以隱藏物體,使其免受光、聲、熱和其他類型波的影響。
光學(xué)超材料能夠利用重復(fù)圖型的結(jié)構(gòu)來(lái)操縱光,其結(jié)構(gòu)尺度小于其影響的波長(zhǎng)。不過(guò),其結(jié)構(gòu)通常是靜態(tài)的。這對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)障礙,例如顯示器等需要可變的光學(xué)特性。
在這項(xiàng)新的研究中,研究人員利用可隨溫度發(fā)生顯著變化的硅光學(xué)特性,實(shí)驗(yàn)了與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)生產(chǎn)技術(shù)兼容的電調(diào)諧超表面。
新器件的核心包含一個(gè)155納米厚的薄膜,薄膜中制作了精密的孔陣列,每個(gè)孔的直徑從78到101納米不等。這種超表面被透明的氧化銦錫條包裹,氧化銦錫條作為電驅(qū)動(dòng)加熱器,改變熱量就可改變這些陣列傳輸光的方式。
紐約市立大學(xué)研究生中心的電氣工程師安德里亞?阿魯(Andrea Alù,非該研究參與人員)說(shuō),這項(xiàng)新工作“能夠以一種快速、高效、緊湊的方式調(diào)整超表面的響應(yīng),推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展”。
“我發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)工作很了不起,特別是動(dòng)態(tài)修改超表面狀態(tài)的能力,而且速度如此之快。”沒(méi)有參加這項(xiàng)新研究的維利說(shuō),“這表明,超表面還有很多尚未探索的潛在應(yīng)用和特性,我們可能只觸及了表面。”
科學(xué)家們指出,穩(wěn)定是這種新方法的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。“硅納米結(jié)構(gòu)以耐用而聞名,正因如此,它仍然是微芯片行業(yè)最受歡迎的材料?!痹撗芯康墓餐髡摺⑽挥诳芭嗬陌拇罄麃唶?guó)立大學(xué)的物理學(xué)教授德拉戈米爾?內(nèi)瑟夫(Dragomir Neshev)說(shuō),“我們?cè)趲讉€(gè)月內(nèi)多次運(yùn)行了我們的原型樣品,沒(méi)有出現(xiàn)任何退化?!?/p>
新的超表面不需要任何偏光器,就能完成液晶現(xiàn)在所做的工作。這可以帶來(lái)重大的改進(jìn),因?yàn)槠馄鲿?huì)導(dǎo)致顯示器的背景光在到達(dá)觀看者的眼睛之前損失一半。
該研究的合著者、英國(guó)諾丁漢倫特倫大學(xué)的工程教授莫森?拉赫莫尼(Mohsen Rahmani)說(shuō),只要進(jìn)行最小限度的修改,就可以更新目前液晶顯示器的生產(chǎn)線,用超表面像素取代液晶像素?!拔覀兊某砻嫦袼丶嫒莓?dāng)前的硅芯片制造技術(shù),這能夠?qū)⑸a(chǎn)成本保持在較低水平?!彼f(shuō)。
盡管超表面顯示器前途廣闊,但維利提醒道,OLED顯示器目前是液晶顯示的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,它不需要液晶層,因此仍具有競(jìng)爭(zhēng)力。但是,OLED“價(jià)格貴且壽命短”的現(xiàn)實(shí)削弱了這一優(yōu)勢(shì),拉赫莫尼說(shuō)。
目前,研究人員希望通過(guò)加熱、冷卻和電輸入修補(bǔ),對(duì)超表面器件進(jìn)行優(yōu)化。他們補(bǔ)充道,機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)也有助于設(shè)計(jì)更小、更薄和更高效的超表面顯示器。紐約市立大學(xué)的阿魯指出,可以考慮尺寸更小的像素。
科學(xué)家們計(jì)劃在未來(lái)5年內(nèi)建造一個(gè)足夠大的原型,用于生成圖像。他們希望在10年內(nèi),將技術(shù)集成到平板顯示器中,供公眾使用。由于液晶制造商在現(xiàn)有晶圓廠中投入了超過(guò)1000億美元資金,“顯示器制造商也許樂(lè)意采用一種新的技術(shù),讓老舊的液晶晶圓廠重獲新生?!本S利說(shuō)。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:超表面顯示器有望超越液晶
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