调控PEDOT:PSS溶胀/去溶胀，实现电化学可调软质超表面
光正成为连接人类与技术的高效信息载体，广泛应用于光学显示（如智能手机、混合现实眼镜）和微型植入设备（如生物光子学的微创传感、内窥镜成像和光遗传学刺激。然而，实现新一代的人-光子接口需要使用柔软、响应性材料来动态调整光波形。光学超表面（一种新型的纳米级人工结构，通过在平面上排列纳米天线、纳米柱或纳米孔等微小结构元件来操控电磁波（包括光）的行为）是实现这一目标的理想候选者，它们通过雕刻密集的光散射纳米结构阵列，可构建平坦的光学元件，但目前材料多为刚性无机物，难以调节光散射并与人体兼容。此外，电调谐对材料和光谱范围的适应性有限，推动人们寻找新材料和设计概念。
电化学可变软（EMuS）超表面原理
EMuS超表面的运行原理如图1a所示，利用亚波长的金结构作为等离子体纳米天线，可以吸收和散射特定波长的光。当这些天线排列成密集阵列时，形成超表面镜，在放置于反射金属膜上方时，创建光学FP腔，实现光谱幅度和相位的调节。本文的创新是在两个镜之间插入电膨胀聚合物薄膜，通过电化学调节薄膜厚度来操控光学响应。具体来说，通过电压调节PEDOT：PSS薄膜的溶胀状态，从而改变FP腔内光的传播相位，进而调节光谱和颜色。通过电子束光刻在金镜顶部制备不同的颜色图案，并在液体电化学电池中使用三电极装置实现颜色的电化学调节（图1b）。作者通过纳米天线阵列展示了颜色随电压在绿色和橙色之间切换（图1c），切换速度约为3秒（图1e）。此外，不同天线尺寸和周期性可以带来更多颜色选择（图1f）。
图1：EMuS超表面的工作原理和高分辨率颜色图案的主动调整
频谱幅度和相位响应的操纵
为了理解如何通过聚合物的膨胀调节软超表面的光谱和相位响应，作者分析了FP共振原理（图2a）。在此器件中，底部金膜作为反射器，顶部的金纳米天线阵列则形成超表面镜。通过改变顶部和底部镜之间的距离（即聚合物的厚度h），作者可以调节光的传播相位，从而调整反射光谱和颜色。实验结果显示，膨胀状态下的光谱会发生红移，这为反射颜色的连续调控提供了可能（图2b）。模拟数据表明，+1V和-1V条件下PEDOT：PSS厚度分别为230nm和310nm，与实验光谱吻合，表明34%的应变与之前研究一致（图2d）。相比传统通过改变折射率的调谐材料方法，这种基于膨胀的相位调节在可见光范围内具有更高的性能指标FOM。这些发现显示了通过膨胀调控光路长度的优越性，为未来性能提升提供了可能。
图2：EMuS超表面可以调节光谱幅度和相位响应
动态光束控制梯度超表面设计
作为相位控制的应用证明，作者设计了一种具有带宽变化的超表面，用于动态重定向光束。为优化设计，作者分析了超表面在不同高度和条带宽度下的反射特性（图3a-c）。当高度为210nm时，条带宽度的增加导致快速的2π相位变化（图3b），便于有效控制光束方向。同时，高反射率（超过20%）使光束重定向更高效（图3c）。在410nm高度时，相位变化较慢，这与超表面位于驻波的波腹位置有关。通过在210nm和410nm之间移动超表面，可以实现光束在衍射级之间的切换。作者实验设计了一种超表面超级单元，由多个宽度从0到200nm的条带组成（图3d），以单独控制局部反射相位。散射场模拟验证了结果：在210nm高度时光束定向至第一衍射级，而在410nm时实现镜面反射（图3e）。这需要更高的膨胀度，可通过扩展电压范围至-1.5V来实现。
图3：用于离散波束控制的梯度EMuS超表面设计
高对比度光束控制的实验演示
通过在-1.5V到+1.5V之间循环电压，该装置可以随着PEDOT:PSS的膨胀和收缩在零阶和第一衍射级之间动态切换（图4）。在+1.5V（收缩）时，高度接近210nm，入射光经历强相位梯度，光束被重定向到第一次衍射级，衍射效率达到19%（图4a）。在-1.5V（膨胀）时，高度接近410nm，相位梯度减弱，效率降至0.5%以下（图4b）。该装置的亮点在于其大调制深度，几乎完全关闭一级衍射，实现超过95%的调制效果（图4c、d）。电压控制还允许进入中间状态，以精细调节衍射光束强度。设计还确保了-1级衍射几乎为零。虽然制造过程中在垂直于啁啾方向引入了辅助周期性，导致少量功率损失，但这种超表面设计方法适用于其他复杂相位分布，如可重构透镜的双曲面设计。
图4：可见波长下的高效、高对比度光束控制
小结
利用软聚合物的显著溶胀特性，EMuS超表面能实现更大光路径长度调节，避免常见的吸收损失，使基于聚合物的光子学功能更强大。尽管电致变色聚合物已用于超表面调节，但其效率和适用范围受限，而EMuS超表面的设计在可见光范围内提供了高达19%的衍射效率和>95%的光束对比度，并兼容±1.5V低电压控制，与CMOS芯片良好匹配，适用于高密度图案化应用。这种超薄设计还适合应用在柔性设备中，如智能眼镜或水凝胶隐形眼镜。未来，EMuS超表面在电解质环境中的应用前景广阔，尤其是植入式生物电子学。其材料（如PEDOT：PSS）在生理电解质中表现良好，并可集成在柔性、可穿戴光控设备中，通过局部相位调谐来动态控制光传递，助力光遗传学和动态聚焦的内窥镜生物成像等领域的发展。这种柔性、低功耗的光子设备为实现人体友好的光学接口带来了巨大潜力。