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研究團隊將含有 PEDOT：PSS 的光學裝置放于電解質溶液中，在溶液兩端加上電極。當改變電極上的電壓（-1 伏到 +1 伏），就會發現光學裝置的性能發現了極大的改變。研究團隊將基于此原理的超表面命名為電學可變的軟超材料（EMus，Electrichemically mutable soft metasurface）。

（來源：Nature Materials）

研究團隊設計了兩種不同功能的 EMus 光表面來展示其靈活的應用性。他們首先設計了一個色彩調控器。在未施加電壓時，光表面呈現藍色。然而，當電壓加到 -1 伏時，這個光表面會呈現橙色。通過連續地改變電壓，光表面的色彩可以在可視光域來回調節。這樣的裝置可以用作反射式顯示器的色彩濾光鏡。

在此基礎之上，他們又設計了一個波束控制裝置。這個裝置可以通過電壓來控制衍射極的能量。在電壓為零時，全部的光都被反射。但當電壓增加到 1.5V 時，有百分之二十的光會被衍射 20 度左右。

這些例子凸顯了 EMuS 超表面在可見光相位控制至關重要的新興應用中的實際應用價值。例如，本次方法可以直接在曲面智能眼鏡或水凝膠隱形眼鏡上實現動態全息技術。

研究團隊的器件工作電壓僅為 ±1.5V，這有利于與低壓互補金屬氧化物半導體芯片（0-3.3V）兼容，并且研究團隊的超表面易于進行高密度圖案化。

有直接與生理系統交互的潛力

展望未來，EMuS 超表面在生物學中普遍存在的電解質溶液中的運行表明，它有直接與生理系統交互的潛力。

PEDOT：PSS 已廣泛應用于植入式生物電子學，并在生理濃度的 NaCl 水溶液中表現出顯著的電壓誘導膨脹。集成其他噻吩基聚合物（這些聚合物在低電壓（<0.5V）下在水性電解質中膨脹高達 300%）可以進一步增強 EMuS 超表面的性能。

通過將光信號與離子電荷流耦合，EMuS 超表面可用作迄今為止無法實現的應用的構建模塊，例如靈活的植入式光控裝置。集成電子記錄和刺激電極的光纖探針廣泛用于光遺傳學，但通常缺乏通過局部相位調節來空間調制光傳輸的能力。

而設計可調諧超表面，并將其與光柵輸出耦合器等配置中的此類器件集成，將能夠訪問其現有的電氣布線和控制架構。這可以實現對這些光場的原位動態控制，從而實現時空精度更高的光遺傳學或其他應用，例如具有動態聚焦功能的內窺鏡生物成像。這種低占用空間、柔軟且有源的光子器件可能為與人體實現無縫光學接口打開大門。

（來源：Nature Materials）

降低動態光表面的能耗損失

近些年來，超表面技術在光學領域的應用有了顯著的發展。這些超表面一般由成千上萬個納米天線組成，這些天線可以通過共振現象改變局部光學的性質從而達到改變光場的目的。這些超表面往往具有透鏡、棱鏡等傳統光學元件所不具備的優點。它們有極其小的外型尺寸，可靈活調式的光學折射率，同時制作工藝上和傳統半導體的加工工藝完美匹配。這些優點使得它們在車載雷達、頭戴式顯示器、生物體內成像等領域的應用上具備巨大優勢。

在這些基礎優勢之上，近些年來有很多研究致力于實現這些超表面的動態控制，這可以很大地擴大超表面的應用范圍。比如，在頭戴式顯示器這個應用上，如果可以結合動態的光場控制，再加上精準的視線追蹤，就可以有針對性地只在用戶目視的角度成全息影像，這將極大地降低電能損耗，進一步地減小整個頭盔的重量。

然而，大部分的這樣的超表面是基于介電材料或半導體的材料。在這些材料的共振頻率附近，注入載流子可以有效改變材料的折射率，實現共振特性的控制，從而改變光場。但是這樣的辦法往往不但在能效上損失很多，也同時往往有很有限的可控幅度。

基于這樣的背景，本次研究著重于降低動態光表面的能耗損失，同時增加可調控的幅度。

研究人員表示：“這項研究始于一個簡單的想法——能否用電信號動態調控光學超表面的性能，并且這種控制既省電又有效？”傳統超表面依賴固定的納米結構，一旦制備完成，功能就無法改變。但是，現實世界需要可調諧的光學器件，比如智能眼鏡能根據環境調整色彩，或隱形眼鏡能投射動態全息圖。 

在研讀其他文獻的過程中，研究團隊注意到導電聚合物 PEDOT：PSS 在電場下會膨脹或收縮，同時它的光學性質也會變化。于是，一個大膽的設想浮現：如果把 PEDOT：PSS 夾在兩層金膜之間，形成法布里-珀羅（FP，Fabry–Pérot）光學諧振腔，再用電化學方法調控它的形變，能否實現動態可調的光學響應？ 

為了驗證這一想法，研究團隊首先進行了理論計算。法布里-珀羅腔的光學特性取決于腔層（PEDOT:PSS）的折射率和厚度。如果 PEDOT:PSS 在電壓下形變，共振波長就會移動，從而改變反射光的顏色。

而 PEDOT:PSS 在電解質溶液中施加電壓時，離子會嵌入/脫出聚合物，導致體積變化。研究團隊對 PEDOT：PSS 的折射率和形變進行了一定的假設，基于這種假設他們設計了多種超表面，并估算了在電化學加壓時可能發生的光學特性變化。 

為了實現最大程度的形變，他們不斷優化 PEDOT：PSS 的配方，確保它在電化學環境下穩定且響應靈敏。同時，也測試了不同電解質比如離子液體和緩沖鹽溶液等，確保低電壓下也能實現高效驅動。 

（來源：Nature Materials）

而第一次測試色彩調控裝置的場景，至今還讓他們歷歷在目。因為他們不確定在自己所施加的電壓條件下 PEDOT 層究竟會有多少形變，為此他們在一個基板上同時加工了大約 20 個裝置。而這 20 個裝置在為加壓條件下呈現光譜中從紫色到紅色中的不同漸變色。

當他們開始給裝置施壓，在顯微鏡下觀測基板時，發現 20 個裝置同時變色了。“我們當時非常激動，不僅是因為這個實驗證明了我們的假設，而且通過 20 多個裝置的光譜移動，我們終于可以精準推算出在不同圖案和不同電壓下 PEDOT：PSS 材料的真實形變。”研究團隊表示。

首次實驗給了他們莫大的鼓舞。他們又思考了這樣一個問題：既然能調顏色，能否調控光的相位和衍射？于是，他們決定挑戰更加復雜的應用。

他們在法布里-珀羅結構上引入周期性納米結構，使其不僅能反射光、還能衍射。經過多次的光學模擬和納米加工優化，研究團隊得到了期待已久的可控光柵。 

在 0V 時，所有光被鏡面反射（衍射效率≈0%），而在 1.5V 時，20% 的光被衍射到 20° 方向，其余仍反射。這意味著，僅用 1.5V 電壓就能動態切換光束方向，未來具有可用于激光投影、AR 眼鏡的光束導向、甚至用于動態全息術的潛力。

日前，相關論文以《電化學可變的軟超表面》（Electrochemically mutable soft metasurfaces）為題發在 Nature Materials[1]。

圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）

斯坦福大學悉達多·多西（Siddharth Doshi）博士和紀安琪博士（Anqi Ji）是第二作者。斯坦福大學尼古拉斯·梅洛什（Nicholas A. Melosh）教授和馬克·L·布朗杰斯瑪（Mark L. Brongersma）教授擔任共同通訊作者。

圖 | 紀安琪博士（Anqi Ji）（來源：Anqi Ji）

在本次研究之中，研究團隊既提出了概念裝置，也做了簡單的實驗驗證。這個概念裝置可以通過電解質溶液的電壓來調節光學特性。同時，相比于同類裝置，其具有極小的體積和較高的敏感度，能被加工成可貼于曲面的柔軟裝置。長遠來看，研究團隊的終極目標是將這類裝置用于生物醫療檢測中。