斯坦福團(tuán)隊(duì)打造電學(xué)可變的軟超材料，有望直接與生理系統(tǒng)交互
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-08-19 16:51:51
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近日，美國斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)將 PEDOT：PSS（Poly（3,4-ethylenedioxythiophene）：Poly（styrenesulfonate））材料鑲嵌在了兩層金質(zhì)結(jié)構(gòu)中間，形成了法布里-珀羅共振結(jié)構(gòu)。當(dāng) PEDOT：PSS 發(fā)生形變時(shí)，法布里-帕羅的共振條件改變，整個(gè)裝置的光學(xué)性質(zhì)就會(huì)隨之改變。
研究團(tuán)隊(duì)將含有 PEDOT：PSS 的光學(xué)裝置放于電解質(zhì)溶液中，在溶液兩端加上電極。當(dāng)改變電極上的電壓（-1 伏到 +1 伏），就會(huì)發(fā)現(xiàn)光學(xué)裝置的性能發(fā)現(xiàn)了極大的改變。研究團(tuán)隊(duì)將基于此原理的超表面命名為電學(xué)可變的軟超材料（EMus，Electrichemically mutable soft metasurface）。
（來源：Nature Materials）
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種不同功能的 EMus 光表面來展示其靈活的應(yīng)用性。他們首先設(shè)計(jì)了一個(gè)色彩調(diào)控器。在未施加電壓時(shí)，光表面呈現(xiàn)藍(lán)色。然而，當(dāng)電壓加到 -1 伏時(shí)，這個(gè)光表面會(huì)呈現(xiàn)橙色。通過連續(xù)地改變電壓，光表面的色彩可以在可視光域來回調(diào)節(jié)。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(chǔ)之上，他們又設(shè)計(jì)了一個(gè)波束控制裝置。這個(gè)裝置可以通過電壓來控制衍射極的能量。在電壓為零時(shí)，全部的光都被反射。但當(dāng)電壓增加到 1.5V 時(shí)，有百分之二十的光會(huì)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(guān)重要的新興應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全息技術(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)的器件工作電壓僅為 ±1.5V，這有利于與低壓互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體芯片（0-3.3V）兼容，并且研究團(tuán)隊(duì)的超表面易于進(jìn)行高密度圖案化。
有直接與生理系統(tǒng)交互的潛力
展望未來，EMuS 超表面在生物學(xué)中普遍存在的電解質(zhì)溶液中的運(yùn)行表明，它有直接與生理系統(tǒng)交互的潛力。
PEDOT：PSS 已廣泛應(yīng)用于植入式生物電子學(xué)，并在生理濃度的 NaCl 水溶液中表現(xiàn)出顯著的電壓誘導(dǎo)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(zhì)中膨脹高達(dá) 300%）可以進(jìn)一步增強(qiáng) EMuS 超表面的性能。
通過將光信號(hào)與離子電荷流耦合，EMuS 超表面可用作迄今為止無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用的構(gòu)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(xué)，但通常缺乏通過局部相位調(diào)節(jié)來空間調(diào)制光傳輸?shù)哪芰Α?/span>
而設(shè)計(jì)可調(diào)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(xiàn)有的電氣布線和控制架構(gòu)。這可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些光場的原位動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)空精度更高的光遺傳學(xué)或其他應(yīng)用，例如具有動(dòng)態(tài)聚焦功能的內(nèi)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(shí)現(xiàn)無縫光學(xué)接口打開大門。
（來源：Nature Materials）
降低動(dòng)態(tài)光表面的能耗損失
近些年來，超表面技術(shù)在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有了顯著的發(fā)展。這些超表面一般由成千上萬個(gè)納米天線組成，這些天線可以通過共振現(xiàn)象改變局部光學(xué)的性質(zhì)從而達(dá)到改變光場的目的。這些超表面往往具有透鏡、棱鏡等傳統(tǒng)光學(xué)元件所不具備的優(yōu)點(diǎn)。它們有極其小的外型尺寸，可靈活調(diào)式的光學(xué)折射率，同時(shí)制作工藝上和傳統(tǒng)半導(dǎo)體的加工工藝完美匹配。這些優(yōu)點(diǎn)使得它們在車載雷達(dá)、頭戴式顯示器、生物體內(nèi)成像等領(lǐng)域的應(yīng)用上具備巨大優(yōu)勢。
在這些基礎(chǔ)優(yōu)勢之上，近些年來有很多研究致力于實(shí)現(xiàn)這些超表面的動(dòng)態(tài)控制，這可以很大地?cái)U(kuò)大超表面的應(yīng)用范圍。比如，在頭戴式顯示器這個(gè)應(yīng)用上，如果可以結(jié)合動(dòng)態(tài)的光場控制，再加上精準(zhǔn)的視線追蹤，就可以有針對(duì)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(jìn)一步地減小整個(gè)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(shí)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(dòng)態(tài)光表面的能耗損失，同時(shí)增加可調(diào)控的幅度。
研究人員表示：“這項(xiàng)研究始于一個(gè)簡單的想法——能否用電信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)控光學(xué)超表面的性能，并且這種控制既省電又有效？”傳統(tǒng)超表面依賴固定的納米結(jié)構(gòu)，一旦制備完成，功能就無法改變。但是，現(xiàn)實(shí)世界需要可調(diào)諧的光學(xué)器件，比如智能眼鏡能根據(jù)環(huán)境調(diào)整色彩，或隱形眼鏡能投射動(dòng)態(tài)全息圖。
在研讀其他文獻(xiàn)的過程中，研究團(tuán)隊(duì)注意到導(dǎo)電聚合物 PEDOT：PSS 在電場下會(huì)膨脹或收縮，同時(shí)它的光學(xué)性質(zhì)也會(huì)變化。于是，一個(gè)大膽的設(shè)想浮現(xiàn)：如果把 PEDOT：PSS 夾在兩層金膜之間，形成法布里-珀羅（FP，F(xiàn)abry–Pérot）光學(xué)諧振腔，再用電化學(xué)方法調(diào)控它的形變，能否實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)的光學(xué)響應(yīng)？
為了驗(yàn)證這一想法，研究團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了理論計(jì)算。法布里-珀羅腔的光學(xué)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(huì)移動(dòng)，從而改變反射光的顏色。
而 PEDOT:PSS 在電解質(zhì)溶液中施加電壓時(shí)，離子會(huì)嵌入/脫出聚合物，導(dǎo)致體積變化。研究團(tuán)隊(duì)對(duì) PEDOT：PSS 的折射率和形變進(jìn)行了一定的假設(shè)，基于這種假設(shè)他們設(shè)計(jì)了多種超表面，并估算了在電化學(xué)加壓時(shí)可能發(fā)生的光學(xué)特性變化。
為了實(shí)現(xiàn)最大程度的形變，他們不斷優(yōu)化 PEDOT：PSS 的配方，確保它在電化學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定且響應(yīng)靈敏。同時(shí)，也測試了不同電解質(zhì)比如離子液體和緩沖鹽溶液等，確保低電壓下也能實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。
（來源：Nature Materials）
而第一次測試色彩調(diào)控裝置的場景，至今還讓他們歷歷在目。因?yàn)樗麄儾淮_定在自己所施加的電壓條件下 PEDOT 層究竟會(huì)有多少形變，為此他們在一個(gè)基板上同時(shí)加工了大約 20 個(gè)裝置。而這 20 個(gè)裝置在為加壓條件下呈現(xiàn)光譜中從紫色到紅色中的不同漸變色。
當(dāng)他們開始給裝置施壓，在顯微鏡下觀測基板時(shí)，發(fā)現(xiàn) 20 個(gè)裝置同時(shí)變色了。“我們當(dāng)時(shí)非常激動(dòng)，不僅是因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了我們的假設(shè)，而且通過 20 多個(gè)裝置的光譜移動(dòng)，我們終于可以精準(zhǔn)推算出在不同圖案和不同電壓下 PEDOT：PSS 材料的真實(shí)形變。”研究團(tuán)隊(duì)表示。
首次實(shí)驗(yàn)給了他們莫大的鼓舞。他們又思考了這樣一個(gè)問題：既然能調(diào)顏色，能否調(diào)控光的相位和衍射？于是，他們決定挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的應(yīng)用。
他們在法布里-珀羅結(jié)構(gòu)上引入周期性納米結(jié)構(gòu)，使其不僅能反射光、還能衍射。經(jīng)過多次的光學(xué)模擬和納米加工優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)得到了期待已久的可控光柵。
在 0V 時(shí)，所有光被鏡面反射（衍射效率≈0%），而在 1.5V 時(shí)，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(dòng)態(tài)切換光束方向，未來具有可用于激光投影、AR 眼鏡的光束導(dǎo)向、甚至用于動(dòng)態(tài)全息術(shù)的潛力。
日前，相關(guān)論文以《電化學(xué)可變的軟超表面》（Electrochemically mutable soft metasurfaces）為題發(fā)在 Nature Materials[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Materials）
斯坦福大學(xué)悉達(dá)多·多西（Siddharth Doshi）博士和紀(jì)安琪博士（Anqi Ji）是第二作者。斯坦福大學(xué)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(dān)任共同通訊作者。
圖 | 紀(jì)安琪博士（Anqi Ji）（來源：Anqi Ji）
在本次研究之中，研究團(tuán)隊(duì)既提出了概念裝置，也做了簡單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)概念裝置可以通過電解質(zhì)溶液的電壓來調(diào)節(jié)光學(xué)特性。同時(shí)，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(yuǎn)來看，研究團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)是將這類裝置用于生物醫(yī)療檢測中。 |
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