纳/微机电系统电控RGB彩色显示器 | 应用物理前沿推介系列No.25
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本期推介
基于MEMS/NEMS电调控的空间光调制与结构色显示
光学显示已经成为人类生活中无处不在的技术，是智能手机、电脑、电视等的重要组成部分。在全球每年5000万吨电子垃圾中，这些设备大约占了一半以上。据估计，全球每年的电子垃圾中，只有不到20%被回收。因此，迫切需要更容易回收并在经济上可行的替代显示技术，以纳入循环消费电子经济，不仅可以保护有限的资源，还可以降低制造业的总能源消耗和全球总碳排放。而基于ITO和液晶材料的传统光学显示器件占常用的光学显示器件（如LCD液晶显示器，LED发光二极管显示器和OLED有机发光二极管显示器）的比例接近100 %[1,2]，面临长期可持续发展的挑战。
为解决这一挑战，研究人员不断提出环保的新型微纳光学器件：2019年，Greybush等人利用静电力排列有机悬浮液中的等离子共振金属纳米棒实现了可见光波段的快速，可逆光调制，观察到色彩和亮度上的显著变化[3]；Chen等人在2021年结合了纳米剪纸结构和纳机电系统(NEMS)，利用顶部金纳米剪纸结构和硅衬底之间的静电力实现了大范围可逆结构形变，进而实现宽带非共振和窄带共振的光学重构，并具有高达494%的调制对比度[4]；同年，Yan等人提出了一种利用施加电压偏差实现可调颜色的薄膜开关，展示了纳米像素的多色调控[5]。2022年，Kwon等人提出了基于纳机电可调谐的不对称介电超表面[6]，实现了对光的振幅和相位的时空控制，有望替代传统液晶，为下一代有源超表面的空间光调制器（Spatial Light Modulators，SLM）平台铺平道路。
2022年以色列希伯来大学Uriel Levy研究团队将等离激元超表面与微机电系统（MEMS）相结合[7]，仅使用两种常见无机材料铝和氧化硅，就实现了一种兼容CMOS工艺和全范围电控的RGB彩色显示器。在该彩色显示器件中，白光通过铝纳米孔阵列滤色器形成颜色，每个滤色器的效果由MEMS悬臂梁动态调控。每个彩色亚像素的相对透过率可以实现从35%到100%的自由调制，调制频率快达800Hz以上。该工作为发展可循环经济型光学显示器件提供了一条重要的技术途径。
图 1. 液晶（LCD）显示工作原理与提出的MEMS等离激元彩色显示器原理对比。前者结构复杂且调制速度慢，不利于环保；后者构型更简单且调制速度快，部件材料需求少，更利于循环可持续发展。
MEMS技术在过去已经用于替代显示器和彩色滤波器，然而MEMS与结构色相结合到2019年才被证实的。该工作将等离激元超表面和MEMS技术相结合，仅仅使用两种常见且易于回收的材料:铝和氧化硅(玻璃)来生成传输型动态颜色控制，有效地实现了可回收性。该工作演示了生成全范围RGB颜色的亚像素原理（图1）：亚像素颜色是由铝纳米孔阵列组成的基于光学传输的等离激元超表面产生的，每个彩色亚像素的相对透过率/亮度由超表面上制造的铝和氧化硅制成的MEMS悬臂进行调制。通过使用纳米孔阵列本身作为悬臂的驱动电极，在两者之间施加一个电压偏置以诱导静电力，使悬臂落下并关闭光通过等离激元结构的通道（图2）。
图 2. MEMS等离激元器件示意图和预制悬臂梁和纳米孔阵列的SEM图像。
需要指出的是，当驱动电压以正电压和负电压交替模式施加时，两个极性都导致悬臂被吸引到纳米孔阵列表面。只有当栅极电压趋向于0V时，悬臂才会回到它们自然向上的位置。悬臂梁通过电容充电来操作开启或关闭状态，当施加任何一种极性时，在纳米孔阵列和悬臂梁上都有相应的正负电荷积累。由于静电吸引，无论极性如何，这种电荷积累将导致悬臂向纳米孔阵列驱动。栅极电压以正负偏置交替模式施加，以避免永久电荷积聚，这将把悬臂永久地固定下来从而失去调制能力。
如果悬臂的运动频率比观察者的闪光融合阈值频率快时，即周期性光调制不能再被观察为离散的点，那么调制响应将看起来像一个平均信号。对于光学显示器，闪烁融合阈值通常被认为在60~100 Hz区间(不同的观看条件会影响阈值，且每个人都不同)。器件的3 dB点所对应的输入信号是400 Hz，将产生800 Hz的实际光调制频率，远高于人眼的识别范围，因此可以通过对驱动电压大小进行改变来实现对悬臂梁打开时间的控制，进而实现对像素明暗变化的调制，作者分别测试了0 V，69 V，81.5 V的驱动电压，可以发现清晰的像素明暗变化（图3）。
图 3. MEMS等离激元器件亮度调制。（A）实验装置图；（B）不同驱动电压下，器件的亮度及（C）对应的相对透射率。
该工作进一步对RGB像素分别进行电压驱动，实现了可持续的光学显示。图4A色度图中两点的颜色可以自由混合，在这两点之间的直线上的任何颜色也都可以实现。因此，在三点组成的三角形内，如果点对应的三种颜色都可以自由混合，那么三角形内的所有颜色都可以实现，对紫，黄，青色的光学显示如图4A所示。
图 4. （A）器件色度和颜色混合图；（B）实验测得的像素单一颜色图及混合颜色图。
研究发现，新提出的MEMS等离激元彩色显示器件的透射率调制的3 dB调制频率为800 Hz，远远高于传统显示技术的频率(60至124 Hz)，也远高于人类闪烁融合阈值频率(60至100 Hz)。利用这一特性，该工作成功通过改变施加电压的大小或改变驱动电压频率来控制阵列的平均透射特性。例如，制作一个由RGB纳米孔阵列三个子像素组成的复合像素，可以通过单独控制它们的平均透射特性，使它们的亮度对人类观察者来说较暗，从而允许RGB子像素之间的颜色混合，如图4所示。由此，研究结果证明了基于两种完全可回收的材料，就可以通过结合等离激元超表面和MEMS悬臂梁的方式，生成简洁的彩色显示器，极大减少了部件材料。鉴于显示屏在现代社会中的广泛性和重要性，该工作将有助于实现结构简单、经济可行的可回收彩色显示消费品，助力循环可持续科技和经济发展。
目前，该结构的长期稳定性和寿命还有待提高，并且相较于传统光学显示器件的工作峰值效率仍有不足。因此，在未来仍需对这种可持续显示技术进行研究，考虑到目前显示器在现代社会的巨大普及性和重要性，进一步提高显示器的生命周期和其工作效率并降低其生产成本将变得至关重要。
推介人
孙浩哲 北京理工大学物理学院，博士研究生。
李家方北京理工大学物理学院，准聘教授，从事表面等离激元及光子晶体结构中光和物质的相互作用研究，并致力于发展纳米剪纸、飞秒激光直写等三维微纳加工技术与应用。
参考资料
[1] Ardente F, Mathieux F, Recchioni M. Recycling of electronic displays: Analysis of pre-processing and potential ecodesign improvements. Resour. Conserv. Recycl., 2014, 92: 158-171.
[2] Bhakar V, Agur A, Digalwar A K, et al. Life Cycle Assessment of CRT, LCD and LED Monitors. Procedia CIRP, 2015, 29: 432-437.
[3] Greybush N J, Charipar K, Geldmeier J A, et al. Dynamic Plasmonic Pixels. ACS Nano, 2019, 13(4): 3875-3883.
[4] Chen S, Liu Z, Du H, et al. Electromechanically reconfigurable optical nano-kirigami. Nat. Commun., 2021, 12(1): 1299.
[5] Yan Z, Zhang Z, Wu W, et al. Floating solid-state thin films with dynamic structural colour. Nat. Nanotechnol., 2021, 16(7): 795-801.
[6] Kwon H, Zheng T, Faraon A. Nano-electromechanical spatial light modulator enabled by asymmetric resonant dielectric metasurfaces. Nat. Commun., 2022, 13(1): 5811.
[7] Han Z, Frydendahl C, Mazurski N, et al. MEMS cantilever–controlled plasmonic colors for sustainable optical displays. Sci. Adv., 2022, 8(16): eabn0889.
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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