第一作者：He Liu、Hao Yang

通讯作者：吴蔚

第一单位：南加州大学（美国）

研究亮点：

1.   提出了串联结构（tandem architecture）的全色彩反射屏设计，并设计了用于串联结构反射屏的可开关全介质光学超表面（switchable all-dielectric metasurfaces），为可穿戴及移动设备的高能耗及强光环境下阅读体验较差等问题提供了新的解决方案。

2.  基于提出的可开关全介质光学超表面的设计，利用纳米压印技术（Nanoimprint Lithography），制备了大面积（平均面积约5cm²）的metasurfaces，验证了串联结构全色彩反射屏的可行性。

反射显示屏的前景及挑战

智能移动设备和可穿戴设备在近些年得到了飞速的发展，极大地方便了我们的生活。但是这些设备的高能耗（待机时间短）和强光环境（如日光直射情况）下可视性差等问题也非常影响用户的体验。

目前广泛使用的透射显示屏（transmissive display）因为工作原理的原因很难解决这些问题。然而，反射显示屏（reflective display）因为工作原理的不同，具有低功耗，强光下阅读体验好等优点。Amazon的kindle电纸书就是采用了反射显示屏。既然反射显示屏这么好，为什么没用被应用到智能手机和可穿戴设备上呢？这是因为目前根本没有成熟的全色彩反射显示屏技术！之前提到的kindle，也只是应用了非全色彩反射显示屏（只有黑白两色）。

平行构架全色彩反射屏的缺陷

为什么没有全色彩发射屏？在解释这个问题前，让我们来看看透射屏是怎么实现全色彩显示的。传统的全色彩透射显示屏是将一个像素点等分为红绿蓝三份，通过三原色的叠加，就可以实现全色彩的现实。我们可以将这种设计称为平行架构（Parallel Structure）。

如果平行架构直接应用到反射显示屏上，会不会可行呢？答案是不行。这是因为，反射显示屏完全是通过反射周围环境光来实现显示，如果将一个像素点等分为3份，如下图1所示，那么每种颜色光的理论反射效率会被限制在33%，这会导致最终的显示亮度非常低，达不到设计要求（而透视显示屏可以通过增强内置光源的强度来解决这一问题）。

图1 采用平行架构的全色彩显示屏。理论最高反射效率被限制在33%，无法满足设计要求。

成果简介

有鉴于此，南加州大学吴蔚课题组提出了串联结构的全色彩反射屏，并设计了用于串联结构（Tandem architecture）反射屏的可开关全介质光学超表面，为可穿戴及移动设备的高能耗及强光环境下阅读体验较差等问题提供了新的解决方案。
 

图2 基于switchable all-dielectric metasurfaces的串联结构全色彩显示屏和metasurfaces开关（以蓝色为例）示意图。

要点1：Switchable all-dielectric metasurfaces（可开关全介质光学超表面）的设计

如下图3a所示，我们可以看出，串联结构反射屏可以达到理论100%的反射效率，但是最大的问题在于，红绿蓝三色像素叠加在一起，为了实现全色彩的重现，必须使得每种颜色的像素都可以在“显色”和“透明”两种状态切换。为此，研究人员通过精巧的设计，使用了可开关全介质光学超表面来构建像素。这种switchable metasurfaces在低折射率背景下显色，高折射率背景下变得透明。

图3 基于可开关全介质光学超表面的全色彩反射屏。

下图4a是可开关全介质光学超表面的结构图。Metasurfaces为两层结构，上层为TiO₂，下层为SiO₂。图4b-4f是模拟结果，可以看出，通过对metasurfaces的结构设计，switchable metasurfaces在显色状态（On State）下高效率（~90%）地反射蓝或绿或红光，在透明（Off State）状态下保持高透射率。

图4 可开关全介质光学超表面结构图及模拟结果。

要点2：可开关全介质光学超表面的表征

基于上面的理论设计，研究人员利用纳米压印技术，制备了大面积（平均面积约5 cm²）的switchable all-dielectric metasurfaces。图5展示了制备的switchable all-dielectric metasurfaces的显色及透明状态照片，以及相应的色域图，SEM照片和实测光谱。

图5 可开关全介质光学超表面照片，色域图，SEN照片和实测光谱。

要点3：串联可开关全介质光学超表面的颜色重现

利用制备的metasurfaces，研究人员验证了串联结构全色彩反射屏的可行性。如下图6所示，利用不同颜色的叠加，八种颜色（黑，蓝，绿，红，黄，青，紫，白）可以被串联结构metasurfaces重现。

图6 串联结构metasurfaces实现颜色重现。

要点4：可开关全介质光学超表面的其他优势

此外，如图7所示，该种switchable metasurfaces还具有大可视角度（达到60度可视角），高分辨率（分辨率达到6350 ppi），与目前透射显示屏可叠加使用等优点。

图7 Switchable all-dielectricmetasurfaces的大可视角度，高分辨率及与传统透射显示屏叠加使用可行性验证。

小结

这项发明研究提出并验证了基于可开关全介质光学超表面的全色彩反射屏。我们相信，将此项技术与电浸润技术，封装技术结合，可以实现革命性的全色彩反射屏，为当下蓬勃发展的智能移动和可穿戴设备产业再添助力！

参考文献：

Liu H, Yang H, Wu W, et al. SwitchableAll-Dielectric Metasurfaces for Full-color Reflective Display. Advanced Optical Materials, 2019.

DOI：10.1002/adom.201801639

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.201801639