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研究团队将含有 PEDOT：PSS 的光学装置放于电解质溶液中，在溶液两端加上电极。当改变电极上的电压（-1 伏到 +1 伏），就会发现光学装置的性能发现了极大的改变。研究团队将基于此原理的超表面命名为电学可变的软超材料（EMus，Electrichemically mutable soft metasurface）。

（来源：Nature Materials）

研究团队设计了两种不同功能的 EMus 光表面来展示其灵活的应用性。他们首先设计了一个色彩调控器。在未施加电压时，光表面呈现蓝色。然而，当电压加到 -1 伏时，这个光表面会呈现橙色。通过连续地改变电压，光表面的色彩可以在可视光域来回调节。这样的装置可以用作反射式显示器的色彩滤光镜。

在此基础之上，他们又设计了一个波束控制装置。这个装置可以通过电压来控制衍射极的能量。在电压为零时，全部的光都被反射。但当电压增加到 1.5V 时，有百分之二十的光会被衍射 20 度左右。

这些例子凸显了 EMuS 超表面在可见光相位控制至关重要的新兴应用中的实际应用价值。例如，本次方法可以直接在曲面智能眼镜或水凝胶隐形眼镜上实现动态全息技术。

研究团队的器件工作电压仅为 ±1.5V，这有利于与低压互补金属氧化物半导体芯片（0-3.3V）兼容，并且研究团队的超表面易于进行高密度图案化。

有直接与生理系统交互的潜力

展望未来，EMuS 超表面在生物学中普遍存在的电解质溶液中的运行表明，它有直接与生理系统交互的潜力。

PEDOT：PSS 已广泛应用于植入式生物电子学，并在生理浓度的 NaCl 水溶液中表现出显著的电压诱导膨胀。集成其他噻吩基聚合物（这些聚合物在低电压（<0.5V）下在水性电解质中膨胀高达 300%）可以进一步增强 EMuS 超表面的性能。

通过将光信号与离子电荷流耦合，EMuS 超表面可用作迄今为止无法实现的应用的构建模块，例如灵活的植入式光控装置。集成电子记录和刺激电极的光纤探针广泛用于光遗传学，但通常缺乏通过局部相位调节来空间调制光传输的能力。

而设计可调谐超表面，并将其与光栅输出耦合器等配置中的此类器件集成，将能够访问其现有的电气布线和控制架构。这可以实现对这些光场的原位动态控制，从而实现时空精度更高的光遗传学或其他应用，例如具有动态聚焦功能的内窥镜生物成像。这种低占用空间、柔软且有源的光子器件可能为与人体实现无缝光学接口打开大门。

（来源：Nature Materials）

降低动态光表面的能耗损失

近些年来，超表面技术在光学领域的应用有了显著的发展。这些超表面一般由成千上万个纳米天线组成，这些天线可以通过共振现象改变局部光学的性质从而达到改变光场的目的。这些超表面往往具有透镜、棱镜等传统光学元件所不具备的优点。它们有极其小的外型尺寸，可灵活调式的光学折射率，同时制作工艺上和传统半导体的加工工艺完美匹配。这些优点使得它们在车载雷达、头戴式显示器、生物体内成像等领域的应用上具备巨大优势。

在这些基础优势之上，近些年来有很多研究致力于实现这些超表面的动态控制，这可以很大地扩大超表面的应用范围。比如，在头戴式显示器这个应用上，如果可以结合动态的光场控制，再加上精准的视线追踪，就可以有针对性地只在用户目视的角度成全息影像，这将极大地降低电能损耗，进一步地减小整个头盔的重量。

然而，大部分的这样的超表面是基于介电材料或半导体的材料。在这些材料的共振频率附近，注入载流子可以有效改变材料的折射率，实现共振特性的控制，从而改变光场。但是这样的办法往往不但在能效上损失很多，也同时往往有很有限的可控幅度。

基于这样的背景，本次研究着重于降低动态光表面的能耗损失，同时增加可调控的幅度。

研究人员表示：“这项研究始于一个简单的想法——能否用电信号动态调控光学超表面的性能，并且这种控制既省电又有效？”传统超表面依赖固定的纳米结构，一旦制备完成，功能就无法改变。但是，现实世界需要可调谐的光学器件，比如智能眼镜能根据环境调整色彩，或隐形眼镜能投射动态全息图。 

在研读其他文献的过程中，研究团队注意到导电聚合物 PEDOT：PSS 在电场下会膨胀或收缩，同时它的光学性质也会变化。于是，一个大胆的设想浮现：如果把 PEDOT：PSS 夹在两层金膜之间，形成法布里-珀罗（FP，Fabry–Pérot）光学谐振腔，再用电化学方法调控它的形变，能否实现动态可调的光学响应？ 

为了验证这一想法，研究团队首先进行了理论计算。法布里-珀罗腔的光学特性取决于腔层（PEDOT:PSS）的折射率和厚度。如果 PEDOT:PSS 在电压下形变，共振波长就会移动，从而改变反射光的颜色。

而 PEDOT:PSS 在电解质溶液中施加电压时，离子会嵌入/脱出聚合物，导致体积变化。研究团队对 PEDOT：PSS 的折射率和形变进行了一定的假设，基于这种假设他们设计了多种超表面，并估算了在电化学加压时可能发生的光学特性变化。 

为了实现最大程度的形变，他们不断优化 PEDOT：PSS 的配方，确保它在电化学环境下稳定且响应灵敏。同时，也测试了不同电解质比如离子液体和缓冲盐溶液等，确保低电压下也能实现高效驱动。 

（来源：Nature Materials）

而第一次测试色彩调控装置的场景，至今还让他们历历在目。因为他们不确定在自己所施加的电压条件下 PEDOT 层究竟会有多少形变，为此他们在一个基板上同时加工了大约 20 个装置。而这 20 个装置在为加压条件下呈现光谱中从紫色到红色中的不同渐变色。

当他们开始给装置施压，在显微镜下观测基板时，发现 20 个装置同时变色了。“我们当时非常激动，不仅是因为这个实验证明了我们的假设，而且通过 20 多个装置的光谱移动，我们终于可以精准推算出在不同图案和不同电压下 PEDOT：PSS 材料的真实形变。”研究团队表示。

首次实验给了他们莫大的鼓舞。他们又思考了这样一个问题：既然能调颜色，能否调控光的相位和衍射？于是，他们决定挑战更加复杂的应用。

他们在法布里-珀罗结构上引入周期性纳米结构，使其不仅能反射光、还能衍射。经过多次的光学模拟和纳米加工优化，研究团队得到了期待已久的可控光栅。 

在 0V 时，所有光被镜面反射（衍射效率≈0%），而在 1.5V 时，20% 的光被衍射到 20° 方向，其余仍反射。这意味着，仅用 1.5V 电压就能动态切换光束方向，未来具有可用于激光投影、AR 眼镜的光束导向、甚至用于动态全息术的潜力。

日前，相关论文以《电化学可变的软超表面》（Electrochemically mutable soft metasurfaces）为题发在 Nature Materials[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

斯坦福大学悉达多·多西（Siddharth Doshi）博士和纪安琪博士（Anqi Ji）是第二作者。斯坦福大学尼古拉斯·梅洛什（Nicholas A. Melosh）教授和马克·L·布朗杰斯玛（Mark L. Brongersma）教授担任共同通讯作者。

图 | 纪安琪博士（Anqi Ji）（来源：Anqi Ji）

在本次研究之中，研究团队既提出了概念装置，也做了简单的实验验证。这个概念装置可以通过电解质溶液的电压来调节光学特性。同时，相比于同类装置，其具有极小的体积和较高的敏感度，能被加工成可贴于曲面的柔软装置。长远来看，研究团队的终极目标是将这类装置用于生物医疗检测中。