光学超表面已经开始在集成设备中找到它们应用的方式，在集成设备中，它们可以增强和控制光波的发射、调制、动态整形和探测。近日，来自韩国三星先进技术研究院的Won-Jae Joo & 美国斯坦福大学的Mark L. Brongersma等研究者研究表明，通过引入纳米超表面镜，有机发光二极管(OLED)显示器的架构可以完全重新设想。相关论文以题为“Meta surface-driven OLED displays beyond 10,000 pixels per inch”于10月23日发表在Science上。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6515/459
法布里-珀罗(FP)腔是一种非常简单但用途广泛的光学元件，它由两个相对的镜子组成。这种光学元件有一种独特的能力，可以在特定波长传输光或建立满足特定共振条件的光能。它们的行为通常由量化空腔能量损失率的质量因子(Q因子)来表征。较高的Q因子促进更强的光物质与放置在腔内的材料的相互作用，以降低操作的光谱带宽为代价。反射镜的反射率是决定空腔Q的关键因素，可以根据预期的应用做出不同的选择。例如，单频激光谐振器利用高反射的分布式自夸反射器从高Q系数(>10000)中获益。
另一方面，有机发光二极管微腔往往具有较低的Q因数(<10)，从而在有机分子较宽的发射波段上实现增强的光提取。低质量的Ag镜足以达到这个目的。空腔长度，通常被认为是镜子之间的距离，在空腔动力学中起着同样重要的作用，因为它决定了共振频率。然而，有效腔长度可以通过控制反射镜的反射相位来改变。最近的研究表明，金属镜的反射相位可以通过纳米结构改变，从而实现腔谐振的调谐。
目前，红、绿、蓝(RGB) OLED主要用于移动显示，并充分利用有益的腔效应，具有优越的设备性能。在这类OLED中，FP腔被用来最小化发射光子到波导模式的非期望耦合，并利用珀塞尔效应来缩小发射有机物的固有发射光谱。目前制造分离RGB亚像素的方法依赖于通过精细金属掩模(FMM)的材料沉积，这对显示缩放提出了严重的实际挑战。由于沉积中的阴影效应，它不允许像素大小的缩小，而且由于大面积FMMs的下垂，也排除了整体显示尺寸的扩大。为了解决这些问题，大型显示器制造商已经开始使用带有滤色器的白色OLED，这种技术目前在电视市场占据主导地位。然而，这并不是一个理想的解决方案，因为滤色器造成的巨大光学损耗(>70%)会使显示更加耗电，加速设备退化(例如，老化现象)。这些因素极大地阻碍了白色OLED在高亮度增强现实显示器中的应用。为了满足下一代显示器对超高像素密度的不断增长的需求，显然需要一种全新的器件结构和制造方法。
在这项工作中，研究者提出了一种新颖的OLED器件设计(图1A)，它具有空间变化的偏光子FP腔(即元-OLED)，可以受益于微腔效应，而无需依赖基于FMM的制造。研究表明，通过精确设计的纳米颗粒上的Ag反射镜形成元镜，元-OLED像素的发射光谱是广泛可调的，并可以覆盖整个可见光谱。此外，证明了优化后的微腔效应在亮度效率和颜色纯度方面的改善。在产生的元-OLED显示器中，不同的超表面模式定义了红色、绿色和蓝色像素，并确保从有机白光发射器中优化提取这些颜色。最后，研究者实验验证了元-OLED在超高密度显示应用中的像素可扩展性。这种新架构有助于创造超高像素密度的设备(> 10000像素/英寸)，通过利用可伸缩的奈米压印光刻技术，这是新兴显示应用(例如，增强现实)所需要的。相对于标准的彩色过滤的白色OLED，所制造的像素，提供了两倍的发光效率和优越的颜色纯度。
图1 元OLED像素的EL特性。
图2 比较元OLED(实体曲线)和彩色过滤白色OLED(虚线曲线)的EL性能。
图3 由圆柱形纳米粒子组成的矩形阵列元镜的反射率行为。
图4 超高密度，RGB-像素化的元OLED。
综上所述，研究者证明了所提出的偏光子技术为在OLED中实现高效RGB像素而不依赖于FMMs和滤色器提供了新的可能性。与彩色滤光白光OLED相比，该方法可以提高发光效率和更高的颜色纯度，并提供高达10,000 PPI的超高像素密度。鉴于本研究中展示的众多优势，预计偏光子OLED将成为下一代微显示器的领先技术，并成为偏光技术最实际的应用之一。（文：水生）