Science：可电切换的金属聚合物纳米天线

背景介绍

光学元件的小型化是实现光的最终时空控制的关键，这反过来将促进增强和虚拟现实、动态全息、LIDAR (光探测和测距)、高分辨率波前和偏振整形器等新兴光学技术的发展。亚波长纳米天线是实现这一目标的首选。它们的共振性质允许与光发生高效的相互作用，可以在超小规模、亚波长尺度上局部增强对光的操纵、探测或调制。超表面的出现为实现纳米尺度上基于等离体的空间依赖静态光控制提供了工具。其中包括超薄光学元件，如由金属制成的超薄光学元件，以及用于广义振幅和相位控制的电介质。集成到动态电光组件中需要通过纳米天线在外部刺激下动态改变光学特性来进行主动时空光控制。一种可能是通过操作接近相变的纳米天线，从而产生可切换的等离子体共振和高对比度的有源超表面。这种直接修饰依赖于化学反应、气体暴露或温度刺激下的结构或化学物质转变。它们通常很慢，具有不完全可逆性，并对光电器件的集成提出了重大挑战。一种选择是用电或温度驱动周围介质的改变，调谐共振强度、位置和线宽，这些特性限制了在主动超表面应用中可实现的对比度。然而，迄今为止还没有实现可以在高频下完全开启和关闭的纳米天线谐振。

成果简介

德国斯图加特大学Harald Giessen课题组从金属聚合物中实现了等离子体纳米天线，它们在其金属状态下显示出明显的局域等离子体共振。由于聚合物的电化学驱动光学金属-绝缘体相变，等离体共振可以通过施加仅±1伏的交变电压在高达30赫兹的视频频率下完全关闭和重新打开。利用这一概念，本工作展示了具有 100%透射对比度的电可切换光束控制超表面。本工作的方法将有助于实现基于超高效等离子体的集成有源光学器件，包括高分辨率增强和虚拟现实技术。相关论文以题为“Electrically switchable metallic polymer nanoantennas”发表在Science上。

图文解析

一、可电切换的纳米天线的概念。

本工作介绍了这种可电切换的纳米天线，由光学金属聚合物制成，在近红外(IR)光谱范围内，由电荷载流子密度的变化引起电化学驱动的金属到绝缘体的转变。 在电切换等离子体系统中，纳米天线由金属聚合物制成，可以通过施加的电压进行电切换。当施加+1 V 的电压时，聚合物被电化学掺杂和氧化，从而导致高载流子密度和金属光学特性。因此，聚合物纳米天线被打开并表现出强烈的等离子体纳米天线共振。相反，在-1 V的施加电压下，载流子密度显著降低并且聚合物变得绝缘。纳米天线关闭后，没有观察到等离子体共振。ON和OFF状态之间的电切换发生得非常快，允许30 Hz的视频速率切换频率。本工作概念的核心是电化学驱动的聚合物聚(3 , 4 -乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)的金属-绝缘体相变。图1B描述了PEDOT：PSS的金属态(红色)和绝缘态(蓝色)介电函数ε₁的实部，表明该材料具有优异的电学和光学性能。图1B显示了当PEDOT：PSS从中性(绝缘)状态转变为氧化态(双极性) (金属态)时发生的氧化还原反应。因此，金属聚合物中超高掺杂水平将使其等离子体频率在未来被推到可见波长范围。商用PEDOT：PSS在其原始的自旋涂复状态下表现出与氧化金属状态几乎相同的介电函数。因此，即使没有外加电压，金属聚合物的等离子体特性也是完全可以获得的。

图1. 可电切换的纳米天线的概念

二、聚合物纳米天线的视频速率电切换。

电切换是在液体环境下使用三电极装置的电化学池进行的。本工作测量了长度L=300 nm的聚合物纳米天线阵列在不同外加电压下对参比电极的光谱响应(图2B )。原始光谱响应(干态)和对+1V的响应分别以灰色和红色表示。由于PEDOT：PSS几乎被完全氧化，因此在干燥状态下，纳米天线表现出约2.4 μ m的等离激元共振。施加+1 V电压后，由于(bi-)极化子的存在，引发了PEDOT：PSS的进一步氧化，使聚合物具有最大的掺杂水平和电荷载流子密度。等离子体共振被完全打开与调制(红色曲线)。峰值波长略微蓝移至~ 2.2 μm。值得注意的是，施加-1 V的负电压(蓝色曲线)使天线共振完全关闭，没有剩余的共振光相互作用。PEDOT：PSS被完全还原，因此在所研究的红外光谱范围内是介电的。本工作的金属聚合物纳米天线的切换速度如图2C所示。在+1 V和-1 V电压下，天线在ON和OFF状态之间切换。底图(灰度曲线)显示了施加在聚合物纳米天线上的电压( ±1 V)，顶图(绿色曲线)显示了相应的调制发射强度。图2C中的左图显示了在频率f =1 Hz时的前10个开关周期，证实了ON和OFF状态之间的完全转换，没有明显的退化。本工作发现，当传输强度超过10%~90 %的调制窗口时，可以实现视频频率下的电切换。

图2. 金属聚合物纳米天线的视频速率电切换

三、超高对比度主动光束偏转。

本工作的概念极大地提高了等离子体系统在商业智能和小型电光设备中的可集成性，因为它具有高开关调制效率、全ON和OFF状态、电气可切换、低要求电压和在视频频率切换。等离子体超表面是将等离子体集成到功能设备中的一种原型。为了证明这一概念，本工作演示了一种用于超高对比度主动光束控制的电可切换金属聚合物超表面，即一种能够主动控制入射光进入固定角度范围的超表面。基本工作原理如图3A所示：用圆偏振光照射超表面。根据聚合物纳米天线的状态，部分入射光会发生衍射，显示出相反的手性。该金属聚合物超表面的关键特征是能够完全关闭和打开。因此，对比度(定义为超表面ON和OFF状态下衍射强度的比值)可达到100%。

金属聚合物纳米天线还具有另一个有趣的特性：连续的电化学掺杂会导致ON和OFF之间的中间态。因此，衍射光束的强度可以随意修改(图3F)。本工作展示了三个全开关周期(电压在+1 V到-1 V之间，电压为20 mV/s)所选的红外相机图像。发现初级光束几乎不受影响，衍射光束的强度可以在OFF和ON状态之间逐渐变化。

图3. 金属聚合物等离子体超表面用于超高对比度主动光束偏转

结论与展望。

本工作的由金属聚合物实现的电可切换等离子体纳米天线和超表面扩展了基于等离子体的电光有源器件和片上光学元件的功能和性能。由于这种聚合物的商业价值，PEDOT：PSS的制造表现出低成本和可扩展性。本工作的概念将在显示器和有源光学元件的应用中具有重要意义。此外，与目前最先进的金属和介质纳米天线相比，聚合物纳米天线允许在柔性基底上制作弯曲光学器件具有先前看不到的柔性水平。这个功能是实现增强和虚拟现实技术所必需的，在传输中发挥作用。此外，金属聚合物还提供了逐渐改变载流子密度从而改变等离子体频率的能力，这允许灰度操作，从而提供了另一个发展方向。这些结果表明未来可以实现极其节能的显示装置。

第一作者：Julian Karst

通讯作者：Harald Giessen

通讯单位：德国斯图加特大学

论文doi：

DOI: 10.1126/science.abj3433

本文由温华供稿。