可調式電漿子像素

基於奈米電漿子學之彩色顯示器提供了優於傳統基於染料或結構方法的一些優點。然而，在液晶顯示器中快速且節能地調整顏色仍然是一項挑戰。目前，英國劍橋大學的Jialong Peng，Hyeon-Ho Jeong及其同事展示了一種奈米電漿子顯示器，其像素顯示可以快速地（> 50 Hz）調諧共振波長（顏色），且在大於100 nm的頻譜範圍（可見光波段） (J. Peng et al., Sci. Adv. 5, eaaw2205; 2019)。重要的是，調諧是節能的，每個像素每1 nm波長的移動僅需0.2 fJ。

Au奈米顆粒（NPs）位於Au基底（也是工作電極）上，但具有仔細控制的粒子-鏡面間距。由於封裝在導電聚合物殼（聚苯胺）中，顆粒是電致變色的；外殼還精確地決定了粒子-鏡面間隙，並透過自下而上的程序進行製作。這些顆粒隨機分散在平面Au基底上，但可以設計覆蓋範圍，並將結構整合到客製的機電單元中，從而實現電動力學和光學響應的追踪（透過暗視野顯微鏡觀察;如圖一）。透過施加電壓以修改殼的化學狀態（和光學性質），掃描範圍由-0.2到0.6 V（在50 mV s^-1下，如圖二）。產生約100 nm的共振位移不僅是可逆的，而且顯示顏色和結構在至少三個月內是穩定的。

 

圖一、eNPoM表面的可擴展顏色生成表現

圖二、單個eNPoM的電驅動光學轉換。（A）eNPoM的循環伏安法（Cyclic voltammetry），其中每eNPoM校準電流 (0，PANI0；1 +，PANI1 + ；2 +，PANI2 +；虛線背景的曲線凸顯出氧化還原峰）。（B）單個eNPoM的DF散射光譜對比如（A）中所施加的電壓（c0，PANI0 ；c2 +，PANI2 +）。 插圖顯示了代表性的eNPoM SEM圖像（在Au基板上塗有20-nm PANI殼的80-nm Au NP）。（C）來自單個eNPoM的歸一化DF散射光譜的時間掃描，用於五個循環的斜坡電壓-0.2↔0.6V，掃描速率為50 mV / s。（D）耦合液晶模態與施加電壓的可逆轉換。

通訊作者Jeremy Baumberg告訴Nature Photonics，他們以前一直在嘗試使用奈米組裝大規模製造結構色材料。他們取得了一些成功，但他們意識到，如果使用大塊結構，製作電控可調壁紙將需要大量能量，因此他們轉向表面光子學。與諾基亞合作的早期工作使用全像技術製作可變形的金屬結構，如kirigami。

「我們可以製作一種可擴展的塗層，可以用極低的能量切換薄膜的顏色，這開啟了建築規模顯示的可能性，」Baumberg解釋道：「在過去十年中，科學家一直在製造由貴金屬製成的電漿子像素，但這些像素都有固定的顏色（這個想法是製作永不變色的永久彩色圖像）。但以這研究的轉換方式是新的。我們的顯示器還可以從任何角度和任何光線條件（黑暗除外）觀看，因為它是基於散射產生的顏色，不需要背光。」

 這項工作並非沒有障礙。 Baumberg告訴Nature Photonics，同時優化所有參數是一項挑戰。 例如，在製作良好的藍色時，並同時保持低成本、一切靈活，且具有良好的電氣性能等等並不簡單。

「這展示了製作奈米光子器件的好途徑，這種器件可以擴展到卷對卷處理，這是我幾年來一直在和團隊所一起嘗試的，」Baumberg說：「我已經厭倦了看到用於設備的高成本奈米加工，並且評論說它是可以轉移的，因為通常這種高精度奈米結構是一個很大的障礙。使用溶液成長法非常重要。」

根據Baumberg的說法，結果的關鍵是能夠將光線捕獲到微小的間隙中，這意味著由於需要改變光學特性的材料體積小，調諧需要低能量。該團隊現在正在尋求擴展到更大的多像素展示器，以及推動顏色範圍。