等離子體超表面（Plasmonic Metasurfaces）是一項非常有希望用于反射式顯示器的技術，相比于現有產品，基于該技術的反射式顯示器具有更寬的色域和更高的空間分辨率。不過遺憾的是，到目前為止，這種等離子體技術的商業化一直都還存在問題，其顏色調節還很困難。

此外，該技術的實施還需要借助高成本的納米光刻制造技術。解決這些問題一直都是彭佳龍研究小組的攻克方向，他們來自劍橋大學（英國劍橋）卡文迪許實驗室的納米光子學中心。

該小組的研究人員最近撰寫了一篇關于該主題的文章，發表于2019年5月10日的科學進展。在介紹更具體的技術之前，這里先介紹一些背景資料，維基百科中有相關幾個概念的定義：

超表面是指一種厚度小于波長的人造層狀材料。它既可以是結構化的也可以是非結構化的，在水平維度上具有亞波長級別的圖案。在電磁理論中，超表面通過特定的邊界條件設定可以對電磁波進行調制。

等離子體納米顆粒是這樣一些顆粒，它們的電子（密度）由于介電 - 金屬界面性質，可以與波長遠大于顆粒尺寸的電磁輻射進行耦合。

通過施加激發信號以控制其周圍介質的光學性質，研究人員可以讓有源等離子體獲得特定的顯示顏色。“在結合導電聚合物或相變材料等電致變色材料后，等離子體超表面可以根據這些電致變色材料的電荷狀態相應做出開關切換。”

該團隊在其最新研究中嘗試了上述方法的一種衍生方法，該衍生方法主要依賴多層等離子體復合結構的使用。在該衍生方法中，研究人員在等離子體間隙中填充了充當活性介電間隔層的電致變色納米顆粒。

更具體地說，研究人員使用了由納米顆粒（NPs）形成的電致變色NanoParticle-on-Mirror構造體（eNPoM），該構造體設計上被包裹在由PolyANIline（PANI）組成的導電聚合物殼體內。該殼體的厚度最大約為20nm，而這些粒子會進一步被涂覆在金鏡（Au Mirror）上。

這種方法的關鍵設計在于“這些納米顆粒在其各自的間隙內將光強烈地限制在其下面的鏡面內，從而形成極小空間內的諧振腔”。這種設計同時還降低了反射光對入射光角度和偏振情況的敏感性。研究人員通過切換整個PANI殼體的電荷狀態（即，氧化還原狀態）就可以控制其所顯示的顏色，從而快速地改變eNPoM共振光的散射顏色。

下圖圖示可以很好地說明eNPoM的結構和功能。

上述為eNPoM構造體的示意圖，該結構可以根據金鏡面基板上圍繞每個Au NP的薄PANI殼體的氧化還原狀態函數來改變所顯示的顏色

該方法的一個優勢特征是它允許開發人員通過“無光刻”的方法制作，精度更是可以達到亞納米。在測試期間，這些納米像素的表現如下：

散射光強度高，顏色均勻，不褪色；

光學對比度大于50％；

雙穩態，單一狀態持續時間在百秒以上；

顯示顏色地波長調節范圍超過100 nm；

能耗率為每像素9 fJ，即像素發光波長每1 nm的變動需要約0.2 fJ的能量；

刷新率大于50 Hz，足以滿足商業視頻應用的需求。

最后還有一點特別重要，據報道，這些性能特征可以從單納米顆粒水平到大尺寸薄膜水平保持不變，不過采用這種設計的設備厚度需要在亞波長級別。

在他們的文章中，研究人員得出的結論是，他們的方法可以顯示“生動均勻的色彩動態，這一效果在任何現有的等離子體色系中都無法實現。”