一种新型像素——等离子体超像素
发布时间：2025-11-05 16:57:11 阅读数： 58
如今，采用硅基液晶（LCoS）技术的高分辨率微显示器已十分常见。它们广泛应用于各种光调制领域，包括投影仪、电信交换机和头戴式显示器。然而，随着光子学的兴起，像素的表面积尚未得到充分利用，而与等离子体纳米结构相关的现象的潜力却十分巨大。
英国剑桥大学的一个研究团队展示了一种等离子体超像素，它具有独特的光谱（全RGB）和偏振控制功能，可作为最先进的高分辨率反射式微显示器的新型像素元件。
现代技术通常采用硅基液晶（LCoS）技术，其像素利用反射面覆盖在电极背板上。虽然许多器件被认为是最先进的，但这些技术中使用的每个像素都只能显示单一的固定颜色，并且只能调制光的振幅。
单个像素通常由线性偏振器、RGB颜料滤色片和电可切换波片组成，波片是一层液晶层，位于镜面反射器（一块尺寸约为10 μm2的方形铝电极）之上，并连接到电子电路。
然而，这种尺寸很少被充分利用，纳米光子学被认为是实现像素全部潜力的下一个合乎逻辑的步骤，但由于等离子体损耗导致的低反射率和次优设计方案，纳米光子学在商业应用中受到了限制。
研究团队结合实验和计算方法，开发出等离子体超构像素，该像素本身包含平面二维振幅函数，这些函数被编码在纳米结构中。
研究人员设计了高斯分布等离子体像素，以在亚像素级别精确调整颜色特性。该设计引入了非矩形像素，其中偏振控制着颜色空间函数，并且与液晶波片兼容。这种方法不同于大多数仅使用方形像素且仅编码振幅的方法。
为了实现这一目标，研究人员采用了银（30 nm）、二氧化硅（100 nm）、铝（100 nm）和体硅层的组合。所有这些材料都与现有的LCoS技术兼容，并且易于集成。
研究人员使用 MATLAB 设计了器件，并采用远程等离子体射频溅射和电子束光刻（EBL，Nanobeam Ltd.）方法制备了层状结构。他们使用光学显微镜（Olympus BX-51 偏光显微镜）、紫外-可见分光光度计（UV-Vis，Ocean Optics UV-VIS HR2000+）和扫描电子显微镜（SEM，Carl-Zeiss）对器件进行了表征。
研究人员通过改变光栅宽度、设计和偏振度，制备了等离子体金属-绝缘体-金属（MIM）像素。这些像素利用铝反射器作为背反射器，与传统MIM像素类似。此外，这些新型像素还通过激发谐振模式和利用层状器件内部各向异性纳米结构实现偏振控制，从而提供独特的光谱（全RGB）色彩滤波功能。
研究发现，所开发的等离子体超构像素具有高反射能力，同时能够产生色彩鲜艳、偏振可切换、色域宽广的滤波效果。器件内部的超薄结构能够激发可见光谱范围内的混合吸收模式，包括表面等离子体激元和准导波模式。研究还发现，可以通过调控吸收模式来针对特定波长，从而在镜面般的表面上产生多色反射。
研究人员将上述概念扩展到一维和二维纳米结构，从而实现了双共振行为和鲜艳的色彩分布。此外，研究人员还借助独立的纳米结构，在像素上定制了二维高斯分布，从而在不同波长下产生了独特的二维功能。研究发现，这些效应可通过偏振进行控制，因此与现有技术兼容。
所产生的作品无需额外的输入偏振器和基于颜料的彩色滤光片，而是利用平面像素颜色函数，这种函数不受常见的传统方形/矩形形式的限制。
所选用的材料和尺寸也使得该设计与多种可扩展的制造方法高度兼容，包括极紫外光刻和纳米压印光刻，因此是商业规模应用的理想选择，尤其适合作为最先进的高分辨率反射式微显示技术中的新型像素元件。
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