等離子體超表面（Plasmonic Metasurfaces）是一項(xiàng)非常有希望用于反射式顯示器的技術(shù)，相比于現(xiàn)有產(chǎn)品，基于該技術(shù)的反射式顯示器具有更寬的色域和更高的空間分辨率。不過(guò)遺憾的是，到目前為止，這種等離子體技術(shù)的商業(yè)化一直都還存在問(wèn)題，其顏色調(diào)節(jié)還很困難。

此外，該技術(shù)的實(shí)施還需要借助高成本的納米光刻制造技術(shù)。解決這些問(wèn)題一直都是彭佳龍研究小組的攻克方向，他們來(lái)自劍橋大學(xué)（英國(guó)劍橋）卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的納米光子學(xué)中心。

該小組的研究人員最近撰寫了一篇關(guān)于該主題的文章，發(fā)表于2019年5月10日的科學(xué)進(jìn)展。在介紹更具體的技術(shù)之前，這里先介紹一些背景資料，維基百科中有相關(guān)幾個(gè)概念的定義：

超表面是指一種厚度小于波長(zhǎng)的人造層狀材料。它既可以是結(jié)構(gòu)化的也可以是非結(jié)構(gòu)化的，在水平維度上具有亞波長(zhǎng)級(jí)別的圖案。在電磁理論中，超表面通過(guò)特定的邊界條件設(shè)定可以對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)制。

等離子體納米顆粒是這樣一些顆粒，它們的電子（密度）由于介電 - 金屬界面性質(zhì)，可以與波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸的電磁輻射進(jìn)行耦合。

通過(guò)施加激發(fā)信號(hào)以控制其周圍介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，研究人員可以讓有源等離子體獲得特定的顯示顏色?！霸诮Y(jié)合導(dǎo)電聚合物或相變材料等電致變色材料后，等離子體超表面可以根據(jù)這些電致變色材料的電荷狀態(tài)相應(yīng)做出開關(guān)切換。”

該團(tuán)隊(duì)在其最新研究中嘗試了上述方法的一種衍生方法，該衍生方法主要依賴多層等離子體復(fù)合結(jié)構(gòu)的使用。在該衍生方法中，研究人員在等離子體間隙中填充了充當(dāng)活性介電間隔層的電致變色納米顆粒。

更具體地說(shuō)，研究人員使用了由納米顆粒（NPs）形成的電致變色NanoParticle-on-Mirror構(gòu)造體（eNPoM），該構(gòu)造體設(shè)計(jì)上被包裹在由PolyANIline（PANI）組成的導(dǎo)電聚合物殼體內(nèi)。該殼體的厚度最大約為20nm，而這些粒子會(huì)進(jìn)一步被涂覆在金鏡（Au Mirror）上。

這種方法的關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于“這些納米顆粒在其各自的間隙內(nèi)將光強(qiáng)烈地限制在其下面的鏡面內(nèi)，從而形成極小空間內(nèi)的諧振腔”。這種設(shè)計(jì)同時(shí)還降低了反射光對(duì)入射光角度和偏振情況的敏感性。研究人員通過(guò)切換整個(gè)PANI殼體的電荷狀態(tài)（即，氧化還原狀態(tài)）就可以控制其所顯示的顏色，從而快速地改變eNPoM共振光的散射顏色。

下圖圖示可以很好地說(shuō)明eNPoM的結(jié)構(gòu)和功能。

上述為eNPoM構(gòu)造體的示意圖，該結(jié)構(gòu)可以根據(jù)金鏡面基板上圍繞每個(gè)Au NP的薄PANI殼體的氧化還原狀態(tài)函數(shù)來(lái)改變所顯示的顏色

該方法的一個(gè)優(yōu)勢(shì)特征是它允許開發(fā)人員通過(guò)“無(wú)光刻”的方法制作，精度更是可以達(dá)到亞納米。在測(cè)試期間，這些納米像素的表現(xiàn)如下：

散射光強(qiáng)度高，顏色均勻，不褪色；

光學(xué)對(duì)比度大于50％；

雙穩(wěn)態(tài)，單一狀態(tài)持續(xù)時(shí)間在百秒以上；

顯示顏色地波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍超過(guò)100 nm；

能耗率為每像素9 fJ，即像素發(fā)光波長(zhǎng)每1 nm的變動(dòng)需要約0.2 fJ的能量；

刷新率大于50 Hz，足以滿足商業(yè)視頻應(yīng)用的需求。

最后還有一點(diǎn)特別重要，據(jù)報(bào)道，這些性能特征可以從單納米顆粒水平到大尺寸薄膜水平保持不變，不過(guò)采用這種設(shè)計(jì)的設(shè)備厚度需要在亞波長(zhǎng)級(jí)別。

在他們的文章中，研究人員得出的結(jié)論是，他們的方法可以顯示“生動(dòng)均勻的色彩動(dòng)態(tài)，這一效果在任何現(xiàn)有的等離子體色系中都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”