元表面研究可以利用液晶显示器作为平板屏幕技术

在电气工程的许多领域，技术进步的主要焦点一直是开发比当前技术更快、更小、更高效的设备。这方面的一个例子是20世纪60年代末液晶显示器的发明，它彻底改变了显示行业，导致显示器更薄、更节能。

然而，即使液晶显示器有很多优点，它们仍然有其局限性。为了克服这些限制，研究人员正在将元表面视为一种新兴技术，有可能取代液晶显示器。就在这一点上，上周新南威尔士大学悉尼分校宣布，一组研究人员开发了一种新的元表面显示技术概念验证。

该研究团队横跨三所大学，包括英国诺丁汉特伦特大学、新南威尔士大学堪培拉分校和澳大利亚国立大学。在这篇文章中，我们将探索新的研究，我们将讨论什么是元表面，以及为什么它们可以取代LCD。

 

研究人员开发Metasurface显示器

正如他们在《自然》杂志上发表的论文中所描述的那样，研究小组开发了一种新的电可调谐超表面，可以在多个像素上编程。为了实现这一点，研究人员使用了一种新技术来实现超表面的电可调谐性，该技术利用了硅的巨大热光效应。

 

研究人员的元表面设备的渲染图。图片由新南威尔士大学悉尼分校提供

 

具体而言，该团队开发了一种基于硅的热光效应的CMOS兼容方法，以使用由小于5V的偏置电压驱动的局部透明加热器来控制硅空穴阵列元表面的光学特性。加热会导致硅折射率的变化，从而导致元表面共振的偏移，从而导致在谐振波长处的突然的透明度变化。

所得到的器件在传输状态下操作，具有低光学损耗、低输入电压要求，并且以高于视频速率的切换速度操作。值得注意的是，通过施加不对称驱动电压，研究人员实现了闪光加热，并观察到625μs的调制时间，这比人眼的检测极限快了十倍多。

 

什么是元表面？

为了将这一消息放在上下文中，更仔细地观察元表面是如何发挥作用的是很重要的。元表面是亚波长元件的二维阵列，它们操纵光以产生所需的效果。

这些亚波长元件通常小于它们相互作用的光的波长，并且它们可以被设计成改变穿过它们的光的性质。例如，这些阵列的主要应用是选择性地透射或反射入射光，以将其聚焦并以期望的方式操纵。

 

元表面的一些应用程序。图片由萧和合著者提供

 

利用纳米制造技术，如今的超表面可以与毫米波、微波和可见光一起工作。这些元件可以由不同的材料制成，例如金属或电介质，并且可以以不同的图案排列以实现特定的效果。

由于它们能够在纳米尺度上制造，并且能够控制光的方向和偏振，超表面在许多应用中都有潜力，包括通信系统、传感和成像。

 

为什么Metasurfaces可以取代LCD

在显示技术领域使用元表面有一个令人信服的论点，许多人认为它们最终可以取代液晶显示器。

基于元表面的显示器的基本操作将涉及光源，例如LED，其将光发射到元表面上。然后，元表面操纵光波以产生所需的效果，例如产生图像或改变光的颜色。这种对光波的操纵是通过使用元表面的亚波长元件控制光波的相位、振幅和偏振来实现的。

 

元表面显示的示例。图片由李建雄及其合著者提供

 

例如，为了生成图像，可以将元表面设计成一个微小像素阵列。每个像素将由一个亚波长元件组成，该元件可以控制光的相位、振幅和偏振。通过调整光的这些特性，元表面可以产生不同颜色和强度的光，从而创建图像。

元表面的一个优点是它们能够产生比LCD更宽的视角。液晶显示器倾向于使用偏振器来控制光的方向，这会限制显示器的视角。另一方面，可以设计金属表面来控制光的偏振，这可以导致更宽的视角。

此外，与液晶显示器相比，元表面具有提高能源效率的优势。液晶显示器能源消耗的一个主要来源是需要背光来产生图像。基于元表面的显示器不需要背光，因此可以带来更节能的解决方案。

 

超越概念验证？

虽然他们的研究只是概念的证明，但新南威尔士大学悉尼分校新闻中强调的研究团队乐观地认为，他们的发现是朝着开发完全可商业化的元表面显示器的正确方向迈出的第一步。