Science：可電切換的金屬聚合物納米天線

背景介紹

光學元件的小型化是實現光的最終時空控制的關鍵，這反過來將促進增強和虛擬現實、動態全息、LIDAR (光探測和測距)、高分辨率波前和偏振整形器等新興光學技術的發展。亞波長納米天線是實現這一目標的首選。它們的共振性質允許與光發生高效的相互作用，可以在超小規模、亞波長尺度上局部增強對光的操縱、探測或調制。超表面的出現為實現納米尺度上基于等離體的空間依賴靜態光控制提供了工具。其中包括超薄光學元件，如由金屬制成的超薄光學元件，以及用于廣義振幅和相位控制的電介質。集成到動態電光組件中需要通過納米天線在外部刺激下動態改變光學特性來進行主動時空光控制。一種可能是通過操作接近相變的納米天線，從而產生可切換的等離子體共振和高對比度的有源超表面。這種直接修飾依賴于化學反應、氣體暴露或溫度刺激下的結構或化學物質轉變。它們通常很慢，具有不完全可逆性，并對光電器件的集成提出了重大挑戰。一種選擇是用電或溫度驅動周圍介質的改變，調諧共振強度、位置和線寬，這些特性限制了在主動超表面應用中可實現的對比度。然而，迄今為止還沒有實現可以在高頻下完全開啟和關閉的納米天線諧振。

成果簡介

德國斯圖加特大學Harald Giessen課題組從金屬聚合物中實現了等離子體納米天線，它們在其金屬狀態下顯示出明顯的局域等離子體共振。由于聚合物的電化學驅動光學金屬-絕緣體相變，等離體共振可以通過施加僅±1伏的交變電壓在高達30赫茲的視頻頻率下完全關閉和重新打開。利用這一概念，本工作展示了具有 100%透射對比度的電可切換光束控制超表面。本工作的方法將有助于實現基于超高效等離子體的集成有源光學器件，包括高分辨率增強和虛擬現實技術。相關論文以題為“Electrically switchable metallic polymer nanoantennas”發表在Science上。

圖文解析

一、可電切換的納米天線的概念。

本工作介紹了這種可電切換的納米天線，由光學金屬聚合物制成，在近紅外(IR)光譜范圍內，由電荷載流子密度的變化引起電化學驅動的金屬到絕緣體的轉變。 在電切換等離子體系統中，納米天線由金屬聚合物制成，可以通過施加的電壓進行電切換。當施加+1 V 的電壓時，聚合物被電化學摻雜和氧化，從而導致高載流子密度和金屬光學特性。因此，聚合物納米天線被打開并表現出強烈的等離子體納米天線共振。相反，在-1 V的施加電壓下，載流子密度顯著降低并且聚合物變得絕緣。納米天線關閉后，沒有觀察到等離子體共振。ON和OFF狀態之間的電切換發生得非常快，允許30 Hz的視頻速率切換頻率。本工作概念的核心是電化學驅動的聚合物聚(3 , 4 -乙撐二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)的金屬-絕緣體相變。圖1B描述了PEDOT：PSS的金屬態(紅色)和絕緣態(藍色)介電函數ε₁的實部，表明該材料具有優異的電學和光學性能。圖1B顯示了當PEDOT：PSS從中性(絕緣)狀態轉變為氧化態(雙極性) (金屬態)時發生的氧化還原反應。因此，金屬聚合物中超高摻雜水平將使其等離子體頻率在未來被推到可見波長范圍。商用PEDOT：PSS在其原始的自旋涂復狀態下表現出與氧化金屬狀態幾乎相同的介電函數。因此，即使沒有外加電壓，金屬聚合物的等離子體特性也是完全可以獲得的。

圖1. 可電切換的納米天線的概念

二、聚合物納米天線的視頻速率電切換。

電切換是在液體環境下使用三電極裝置的電化學池進行的。本工作測量了長度L=300 nm的聚合物納米天線陣列在不同外加電壓下對參比電極的光譜響應(圖2B )。原始光譜響應(干態)和對+1V的響應分別以灰色和紅色表示。由于PEDOT：PSS幾乎被完全氧化，因此在干燥狀態下，納米天線表現出約2.4 μ m的等離激元共振。施加+1 V電壓后，由于(bi-)極化子的存在，引發了PEDOT：PSS的進一步氧化，使聚合物具有最大的摻雜水平和電荷載流子密度。等離子體共振被完全打開與調制(紅色曲線)。峰值波長略微藍移至~ 2.2 μm。值得注意的是，施加-1 V的負電壓(藍色曲線)使天線共振完全關閉，沒有剩余的共振光相互作用。PEDOT：PSS被完全還原，因此在所研究的紅外光譜范圍內是介電的。本工作的金屬聚合物納米天線的切換速度如圖2C所示。在+1 V和-1 V電壓下，天線在ON和OFF狀態之間切換。底圖(灰度曲線)顯示了施加在聚合物納米天線上的電壓( ±1 V)，頂圖(綠色曲線)顯示了相應的調制發射強度。圖2C中的左圖顯示了在頻率f =1 Hz時的前10個開關周期，證實了ON和OFF狀態之間的完全轉換，沒有明顯的退化。本工作發現，當傳輸強度超過10%~90 %的調制窗口時，可以實現視頻頻率下的電切換。

圖2. 金屬聚合物納米天線的視頻速率電切換

三、超高對比度主動光束偏轉。

本工作的概念極大地提高了等離子體系統在商業智能和小型電光設備中的可集成性，因為它具有高開關調制效率、全ON和OFF狀態、電氣可切換、低要求電壓和在視頻頻率切換。等離子體超表面是將等離子體集成到功能設備中的一種原型。為了證明這一概念，本工作演示了一種用于超高對比度主動光束控制的電可切換金屬聚合物超表面，即一種能夠主動控制入射光進入固定角度范圍的超表面。基本工作原理如圖3A所示：用圓偏振光照射超表面。根據聚合物納米天線的狀態，部分入射光會發生衍射，顯示出相反的手性。該金屬聚合物超表面的關鍵特征是能夠完全關閉和打開。因此，對比度(定義為超表面ON和OFF狀態下衍射強度的比值)可達到100%。

金屬聚合物納米天線還具有另一個有趣的特性：連續的電化學摻雜會導致ON和OFF之間的中間態。因此，衍射光束的強度可以隨意修改(圖3F)。本工作展示了三個全開關周期(電壓在+1 V到-1 V之間，電壓為20 mV/s)所選的紅外相機圖像。發現初級光束幾乎不受影響，衍射光束的強度可以在OFF和ON狀態之間逐漸變化。

圖3. 金屬聚合物等離子體超表面用于超高對比度主動光束偏轉

結論與展望。

本工作的由金屬聚合物實現的電可切換等離子體納米天線和超表面擴展了基于等離子體的電光有源器件和片上光學元件的功能和性能。由于這種聚合物的商業價值，PEDOT：PSS的制造表現出低成本和可擴展性。本工作的概念將在顯示器和有源光學元件的應用中具有重要意義。此外，與目前最先進的金屬和介質納米天線相比，聚合物納米天線允許在柔性基底上制作彎曲光學器件具有先前看不到的柔性水平。這個功能是實現增強和虛擬現實技術所必需的，在傳輸中發揮作用。此外，金屬聚合物還提供了逐漸改變載流子密度從而改變等離子體頻率的能力，這允許灰度操作，從而提供了另一個發展方向。這些結果表明未來可以實現極其節能的顯示裝置。

第一作者：Julian Karst

通訊作者：Harald Giessen

通訊單位：德國斯圖加特大學

論文doi：

DOI: 10.1126/science.abj3433

本文由溫華供稿。