最新Sci. Adv.：可以替代LC和ITO的循環可回收光學顯示器出現了！

【導讀】

光學顯示器已成為日常生活中無處不在的技術，是智能手機、計算機、電視等的重要組成部分。這些電子設備產生的電子垃圾約占全球每年產生的5000萬噸電子垃圾的一半。據估計，全球每年有不到20%的電子垃圾可回收利用，剩余的4000萬噸下落不明，一般最終進入發展中國家的焚燒坑或垃圾填埋場。其中含有的許多有毒元素（如銦、鉛和汞）對人類健康和環境構成嚴重威脅。預計到2050年，電子垃圾的年產量將增長到1.2億噸以上，其中大部分來自于依賴顯示器的電子設備。顯示器回收率低的主要原因之一是與工藝相關的成本問題，電子設備中包含的材料種類繁多，使得原始材料在成本方面優于回收材料。因此，迫切需要更容易回收且成本效益更好的替代顯示技術，以納入循環消費電子經濟。這不僅是為了保護有限的資源，也是為了降低制造業的總能源使用量和全球碳排放總量。特別是需要尋找液晶 (LC) 和氧化銦錫 (ITO)這些關鍵材料的替代品，它們幾乎用于所有常見數字顯示器中的像素亮度控制，如 LCD（液晶顯示器）， LED（發光二極管顯示器）和 OLED（有機發光二極管顯示器）。本文展示了一種基于結構色和微機電系統的新型光學顯示技術，它可能是實現未來向循環電子經濟過渡的理想候選者。

【成果掠影】

近日，耶路撒冷希伯來大學Uriel Levy教授和Zhengli?Han教授課題組將等離子超表面和微機電系統（MEMS）技術結合在一起，僅使用兩種常見且易于回收的材料：鋁和氧化硅（玻璃）來生成透射型動態顏色控制，制作出快速、全色域的顯示器。白光通過由鋁納米孔陣列制成的基于光學傳輸的等離子體超表面過濾成RGB分量。每個色彩子像素的相對透射率/亮度由在超表面頂部制造的鋁和氧化硅制成的MEMS懸臂調制。結果表明，色彩子像素的相對透射率可以從35%自由調制到100%。而且，像素可以在800 Hz以上運行，用于未來的超快顯示器。該項工作通過將結構色和MEMS技術結合起來，僅僅使用兩種完全可回收的材料便可以得到彩色顯示器，對于簡化數字顯示、實現電子垃圾管理和循環電子經濟具有重要的意義。該論文以題為“MEMS cantilever–controlled plasmonic colors for sustainable optical displays”發表在知名期刊Science Advances上。

【核心創新點】

1. 將等離子超表面結構色和微機電系統（MEMS）技術結合在一起
2. 僅僅使用兩種完全可回收的材料（鋁和氧化硅）便可以得到彩色顯示器，通過機械和加熱工藝或者和化學工藝相結合的方式回收利用相對容易。

【數據概覽】

圖1. LCD和等離子體MEMS顯示器的工作原理及LCD的主要缺點和等離子體MEMS顯示器的主要優點 ? 2022AAAS

圖2. 等離子體MEMS顯示器設計及工作原理?

(A) 等離子體MEMS顯示器示意圖。等離子體納米孔陣列在傳輸時將白色連續光濾成一種顏色。當懸臂和納米孔陣列之間施加電壓時，機械懸臂會阻擋陣列，進而來調制陣列的傳輸。(B)懸臂梁和納米孔陣列的SEM圖像。比例尺，50 μm。(C)頂部：紅色 (R)、綠色 (G) 和藍色 (B) 色彩像素元素生成的納米孔陣列的 SEM圖像。底部：每個色彩像素元素的白光透射顯微鏡圖像。比例尺，250 nm（SEM 圖像）和 30 μm（顯微鏡圖像）。(D)納米孔陣列的實驗（實線）和 FDTD 模擬（虛線）透射光譜。? 2022AAAS

圖3. 傳輸調制

(A)用于傳輸調制的實驗裝置。自制反射顯微鏡用于通過納米孔陣列耦合激光，同時懸臂由柵極電壓調制。產生的傳輸調制由硅光電二極管記錄。顯微鏡的成像部分（頂部）用于選擇要測量的懸臂并將激光點對準它。(B)在100 Hz驅動電壓下，應用電壓和測量的激光穿過納米孔陣列的相對透射率作為時間的函數。(C)在300Hz驅動電壓下，兩個不同的電壓振幅的調制情況。(D)頂部：峰-峰值調制的頻率響應，以分貝為單位（水平虛線標記-3 dB）。底部：相同頻率的平均相對傳輸。(E) 激光通過陣列的平均相對透射率作為不同驅動電壓幅度的函數。誤差條標記從多個懸臂觀察到±5%的變化。? 2022AAAS

圖4. 顏色亮度調節

(A) 用于亮度測量的實驗裝置。自制顯微鏡被重新配置為透射型方案。(B)當懸臂用100 Hz驅動正弦波在不同的峰至峰值電壓下調制時觀察到的亮度。以32 Hz 的幀速率記錄了總共100張圖像，并顯示出色彩像素區域內平均RGB顏色。(C)從平均RGB值轉換為xyY時的相對亮度值，歸一化為未調制像素。? 2022AAAS

圖5. 色度和顏色混合

(A)從通過RGB超表面測得的白光透射光譜和來自照明組合超表面的混合顏色中提取的CIE xyY色度圖。顯示的sRGB 顏色范圍以供比較。插圖顯示了測量中使用的納米孔超表面的透射顯微鏡圖像，每個圖像大約為100 × 100 μm²。(B) 頂部：用于計算色度的RGB超表面的透射光譜。底部：混合顏色超表面的透射光譜。? 2022AAAS

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0889

本文由小藝供稿。