非對稱耦合超表面的數值優化

據麥姆斯咨詢報道，韓國浦項科技大學(Pohang University of Science and Technology)Inki Kim領導的一組橫跨機械工程、材料科學和電氣工程等多學科的國際研究團隊，結合液晶(LC)和全息超表面技術，開發了一款緊湊型氣體傳感器平臺，可以感測揮發性氣體并立即提供可視化的全息警報，有望用于公共衛生和環境監測領域生化物質的快速檢測。該研究成果已發表于Science Advances。

研究小組整合液晶和全息超表面元件構建了這款超緊湊的氣體傳感器，無需復雜的檢測儀器，就可以通過可視化的全息圖像實現氣體檢測。此外，研究人員利用一步納米鑄造工藝，將這款基于超表面的氣體傳感器集成到安全護目鏡上，證明了這種緊湊型傳感器的適用性。

液晶集成超表面(LC-MS)

迄今，材料科學家已經設計開發了電、光、射頻或微波等多種方法來探測目標物質，構建了相應的傳感器平臺。在這些傳感器中，基于液晶的傳感器具有靈敏度高、實時檢測速度快等優點。在本研究中，Kim等人提出了將液晶傳感與全息超表面整合的緊湊型氣體傳感器平臺，稱為液晶集成超表面(LC-MS)，實現揮發性氣體檢測的同時，通過視覺全息警報提供即時反饋。

該方法綜合了液晶的響應特性和超表面的緊湊性優勢，同時通過提供氣敏構象來最大化傳感器的有效性。該研究小組利用氫化非晶硅(a-Si:H)開發了超表面全息圖，可以通過每個納米結構的幾何結構和傳播相位來再現不同的全息圖像。根據揮發性氣體的存在檢測結果，這款傳感器可以傳輸不同偏振狀態的光。

氣敏液晶(LC)單元設計及其光學響應

氣敏液晶單元設計

研究小組通過各種外部刺激來調節液晶的分子順序。Kim及其研究團隊首先在最簡單的幾何結構中觀察并表征了液晶的氣體響應特性。為此，他們用向列相液晶填充微阱結構。在實驗過程中，科學家們使用異丙醇(IPA)氣體作為目標有害氣體進行了實驗。

結果表明這種氣敏液晶單元具有快速檢測有害氣體的能力。然后，研究小組對一系列不同含量的氣體進行了實驗，以測量檢測時間，實驗結果例如：氯仿為1.3秒，丙酮為1.6秒，異丙醇為13.9秒，甲醇為58.3秒。隨著氣體濃度的增加，氣敏液晶單元的響應速率越快。

設計具有非對稱自旋軌道相互作用的自旋編碼超表面全息圖。

當不存在有害氣體時，全息圖呈現“笑臉”安全標志;而當存在有害氣體時，全息圖呈現“感嘆號”的警報標志

該研究小組基于傳統的Pancharatnam-Berry(PB)相位調制方法設計了自旋編碼的超表面，以研究自旋固有的對稱性和相互作用。該器件的最終總效率僅為50%。為了克服光能損失，研究小組利用非對稱耦合設計了通過自旋編碼超表面以實現左旋圓偏振光(LCP)和右旋圓偏振光(RCP)顯示不同信號的功能，幫助打破傳統的效率限制。

納米天線中的磁電諧振限制驗證了優化過程。研究小組根據高傳輸效率和固定增量相移來選擇納米天線的尺寸。他們開發了從不對稱耦合超表面獲得的安全(笑臉)和警報(感嘆號)全息圖。為了驗證非對稱耦合超表面的功能性，Kim等人使用了Lumerical公司的商用全波電磁模擬軟件對超表面全息圖進行數值模擬。

全息氣體傳感器及其應用

研究人員利用這款LC-MS氣體傳感系統對有害氣體暴露進行了實時可視化實驗。他們在光學裝置中，用含有多種有機溶劑(包括異丙醇)的白板記號筆，測試了這款傳感器暴露于揮發性有害氣體中的傳感能力、全息圖像的快速切換速率和高衍射效率。

超表面全息器件包含一個a-Si:H納米天線。在環境中沒有揮發性氣體的情況下，傳感器投射出一個笑臉全息圖像作為安全標志。當感測到揮發性氣體時，這個標志立即變成一個感嘆號警報標志。當記號筆中的揮發性氣體擴散到液晶層時，降低了光學延遲，將輸出偏振光從RCP轉換為LCP，從而實現了全息顯示的變化。

當研究小組移除揮發性氣體后，隨著液晶恢復到最初的方向，全息顯示迅速恢復為笑臉安全標志。這一過程可能在幾秒鐘內完成，記號筆與傳感器的距離不會影響響應時間。因此，這種類型的傳感器可以應用于氣敏產品儲存或運輸期間有害氣體的暴露檢測。

該團隊還通過一步納米鑄造工藝制成的柔性超表面，在可穿戴設備領域擴展了應用。與傳統納米印刷工藝不同，Kim及其研究團隊沒有采用復雜的納米制造工藝，而是將一種功能紫外(UV)固化樹脂與氧化鈦納米顆粒作為樹脂復合物，在工藝過程中用作介電超表面。該工藝適于大批量生產。

LC-MS氣體傳感器實驗演示

原型驗證

作為概念原型驗證，研究人員在柔性聚對苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜上印制了一個柔性保形全息氣體傳感器，并將其貼在護目鏡表面。研究小組隨后針對532 nm波長的入射光進行了納米顆粒-樹脂復合超表面的參數優化(當然，該結構也可用于更寬的波長范圍)。就這樣，Kim等人開發了一款清晰的全息報警護目鏡。

未來，他們將對這種柔性、共形氣體傳感器進一步微型化和集成研究，以構建一款完整的可穿戴緊湊型氣體傳感器。這類傳感器無需任何額外的復雜機械或電子設備，就可以實現低成本的可穿戴氣體傳感，可廣泛用于工廠、建筑和清潔等氣體監測應用。此外，這類傳感器還可以在反射模式下工作，通過使用環境光代替內部光源來開發更經濟、更簡單且小型化的傳感器平臺。

柔性LC-MS氣體傳感器，以及集成該傳感器的護目鏡