非對稱耦合超表面的數(shù)值優(yōu)化.（A）由a-Si：H納米天線組成的超表面單元，顯示了在線極化入射下長軸平行于x軸（左元素）和y軸（右單元）的納米天線的電場和磁場強(qiáng)度分布。高度h和位移d分別固定在400和300nm。（B）RCP入射下發(fā)射LCP分量的效率（TLR）與納米天線的長度（L）和寬度（w）的函數(shù)關(guān)系。紅點表示四個選定晶胞的幾何形狀，這些晶胞在考慮制造分辨率的同時具有高衍射效率。（C） 使用選定的一組八個單元進(jìn)行全相位覆蓋和波前調(diào)制。（D）從設(shè)計的不對稱耦合超表面獲得的穩(wěn)定（笑臉，左）和警報狀態(tài)（感嘆號，右）的計算全息圖。信用：科學(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

生物和化學(xué)物質(zhì)可以實時快速檢測，用于公共衛(wèi)生和環(huán)境監(jiān)測目的。在一份關(guān)于科學(xué)進(jìn)展的新報告中，Inki Kim和韓國和巴基斯坦的機(jī)械工程，材料科學(xué)和電氣工程研究小組提出了一個緊湊的傳感器平臺，用于集成液晶（LC）和全息超表面，以感知揮發(fā)性氣體的存在，然后提供即時的視覺全息警報。該團(tuán)隊將設(shè)置組合在一起，形成了超緊湊的氣體傳感器，無需復(fù)雜的儀器，以便通過視覺線索檢測氣體。研究人員通過一步納米鑄造工藝將基于超表面的氣體傳感器集成到穩(wěn)定護(hù)目鏡上，證明了緊湊型傳感器的適用性。

液晶集成超表面

材料科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計了多種方法來檢測目標(biāo)物質(zhì)及其相應(yīng)的傳感器平臺，包括電、光、射頻或微波信號變化。在這些傳感器中，基于液晶的傳感器因其靈敏度和實時快速檢測而受到青睞。在這項工作中，Kim等人提出了一種緊湊型傳感器平臺，該平臺將液晶與稱為LC集成超表面（LC-MS）的全息超表面相結(jié)合，以感測揮發(fā)性氣體并通過視覺全息警報提供即時反饋。該方法集成了液晶的刺激響應(yīng)性和超表面的致密性的優(yōu)點，同時通過提供氣體傳感構(gòu)象大限度地提高了傳感器的有效性。該團(tuán)隊使用氫化非晶硅（a-Si：H）開發(fā)了超表面全息圖，旨在根據(jù)每個納米結(jié)構(gòu)的幾何和傳播階段再現(xiàn)不同的全息圖像。根據(jù)揮發(fā)性氣體的存在與否，該裝置可以傳輸不同的偏振態(tài)的光。

氣體響應(yīng)液晶（LC）電池的設(shè)計及其光學(xué)響應(yīng)。（A）擬議的全息超表面氣體傳感器平臺示意圖。在沒有目標(biāo)危險氣體的情況下，與氣體響應(yīng)LC集成的全息超表面投射穩(wěn)定信號（笑臉），而在檢測到氣體時顯示警報信號（感嘆號）。右圓偏振（RCP;黃色箭頭）照明產(chǎn)生“穩(wěn)定信號”，左圓偏振（LCP;綠色箭頭）照明產(chǎn)生“報警信號”。（B）微孔中氣體響應(yīng)液相色譜的示意圖（側(cè)視圖）。最初，LC單元具有混合錨定配置，因為LC在空氣界面處的垂直方向以及涂覆在玻璃基板上的摩擦聚酰亞胺設(shè)置的單向切向方向。然而，當(dāng)引入揮發(fā)性氣體時，LC順序降低，因為各向同性氣體分子會分配到LC層中。因此，向列到各向同性的相變發(fā)生在空氣界面，并且隨著更多的氣體分子擴(kuò)散到LC中，各向同性層會膨脹。 （C至E）暴露于IPA氣體時LC電池的順序光學(xué)顯微照片（頂部）;參見電影 S1。比例尺，100 μm。（C）至（E）中的插圖顯示了相應(yīng)的側(cè)視圖顯微照片。液相色譜池放置在密閉室中，IPA 氣體濃度約為 200 ppm。白色箭頭表示偏振器（輸入）和分析器（輸出）的偏振。藍(lán)色箭頭表示摩擦方向。（F）隨時間推移測量的延遲和計算的各向同性層厚度。對應(yīng)于 （C） 到 （E） 的數(shù)據(jù)由藍(lán)色、綠色和紅色點標(biāo)記�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

設(shè)計氣體響應(yīng)液晶電池

該團(tuán)隊通過各種外部刺激調(diào)節(jié)液晶的分子順序。Kim等人首先以簡單的幾何形狀觀察并表征了LC的氣體響應(yīng)性。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們用向列（與液晶有關(guān)或作為液晶的相）填充微孔結(jié)構(gòu)。在實驗過程中，科學(xué)家們使用異丙醇（IPA）氣體作為檢測的目標(biāo)危險氣體。當(dāng)他們在封閉的室室中以恒定濃度暴露IPA氣體時，它從白色轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬�。結(jié)果表明，液相色譜池能夠及時檢測有毒氣體。然后，該團(tuán)隊使用具有不同劑量條件的一系列氣體進(jìn)行了實驗，以測量氯仿檢測時間約為1.3秒，丙酮檢測時間為1.6秒，IPA氣體為13.9秒，甲醇為58.3秒。隨著劑量的增加，他們觀察到更快的反應(yīng)率。

當(dāng)液晶恢復(fù)到其初始方向時，全息圖會迅速恢復(fù)到穩(wěn)定標(biāo)志�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

科學(xué)家們基于傳統(tǒng)的Pancharatnam-Berry（PB）相位調(diào)制方法設(shè)計了自旋編碼的超表面，以了解自旋固有的對稱性和相互作用的程度。由此產(chǎn)生的設(shè)備總效率僅為50%。為了克服光能量損失，該團(tuán)隊通過不對稱耦合通過自旋編碼設(shè)計了超表面，以用于左圓偏振（LCP）光和右圓偏振（RCP）光，以幫助打破傳統(tǒng)的效率限制。納米天線內(nèi)磁電共振的限制驗證了優(yōu)化過程。該團(tuán)隊根據(jù)納米天線保持高傳輸效率和固定增量相移的能力來選擇納米天線的尺寸。他們開發(fā)了從設(shè)計的不對稱耦合超表面獲得的穩(wěn)定（笑臉）和警報狀態(tài)（感嘆號）的全息圖。為了驗證非對稱耦合超表面的功能，Kim等人使用市售的全波電磁仿真軟件Lumerical Inc.對元全息圖進(jìn)行了數(shù)值模擬。

全息氣體傳感器和可穿戴應(yīng)用

科學(xué)家們使用氣體響應(yīng)LC-MS系統(tǒng)可視化了實時氣體暴露。然后，他們測試了傳感能力，全息圖像的快速切換速率以及暴露于揮發(fā)性氣體時光學(xué)裝置中氣體傳感器的高衍射效率。Kim等人使用了一種無處不在的揮發(fā)性氣體源，即含有包括IPA（異丙醇）在內(nèi)的各種有機(jī)溶劑的板記號筆。元全息圖器件包含一個a-Si：H納米天線。在沒有揮發(fā)性氣體的情況下，傳感器投射出微笑的全息圖像作為穩(wěn)定標(biāo)志。暴露在氣體中后，標(biāo)志立即切換到感嘆號以提供“警報信號”。當(dāng)來自筆的揮發(fā)性氣體擴(kuò)散到液晶層時，就會發(fā)生此過程，從而降低光學(xué)延遲，將輸出偏振光束的偏振從RCP（右圓偏振光）轉(zhuǎn)換為LCP（左圓偏振光）。當(dāng)團(tuán)隊去除氣體時，全息圖迅速恢復(fù)到其穩(wěn)定標(biāo)志，因為液晶恢復(fù)到初始方向。該過程可能在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，標(biāo)記與傳感器的距離不會影響響應(yīng)時間。這種類型的傳感器將具有檢測運(yùn)輸或氣敏產(chǎn)品儲存過程中有害氣體暴露的應(yīng)用。該團(tuán)隊還可以通過開發(fā)基于通過一步納米鑄造工藝形成的柔性超表面的可穿戴設(shè)備來擴(kuò)展應(yīng)用。與傳統(tǒng)的納米印刷不同，Kim等人包括一種功能化的紫外（UV）固化樹脂，其中氧化鈦納米顆粒作為樹脂復(fù)合材料，在此過程中用作介電超表面，而無需使用復(fù)雜的納米制造工藝。該工藝也適用于批量生產(chǎn)。

LC-MS氣體傳感器的演示。（A） LC-MS氣體傳感器的光學(xué)裝置（HWP，半波板;M1，鏡子 1;M2，鏡子2;P，偏光片;QWP，四分之一波板）。在沒有 IPA 氣體的情況下，LC-MS 傳感器上照亮的 RCP 光在沒有任何偏振轉(zhuǎn)換的情況下通過 LC 層并傳輸?shù)匠�表面。相反，LC層在暴露于IPA氣體時將輸入的RCP轉(zhuǎn)換為LCP光。（B） 帶有板標(biāo)記作為揮發(fā)性氣體（包括 IPA）來源的 LC-MS 氣體傳感器的照片。比例尺，3毫米。圖片來源：Inki Kim，POSTECH。（C）集成介電超表面的光學(xué)和SEM圖像。比例尺，100 μm。（D） 產(chǎn)生的全息圖像報警。當(dāng)電路板標(biāo)記處的氣體暴露時，LC-MS傳感器會在幾秒鐘內(nèi)迅速顯示報警標(biāo)志，并在氣體去除后恢復(fù)初始穩(wěn)定標(biāo)志�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

概念驗證

作為概念驗證，他們隨后在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上打印了一個柔性和保形全息氣體傳感器，并將其連接到穩(wěn)定護(hù)目鏡的表面上。然后，該團(tuán)隊針對532 nm波長的入射光優(yōu)化了納米顆粒 - 樹脂復(fù)合超表面的參數(shù)，盡管該結(jié)構(gòu)在更廣泛的波長范圍內(nèi)也起作用。就這樣，Kim等人研制出清晰的全息報警器。未來，他們可以小型化和集成所提出的柔性和保形氣體傳感器，以完全建立可穿戴和緊湊型氣體傳感器。這些傳感器無需任何額外的復(fù)雜機(jī)械和電子設(shè)備即可運(yùn)行，從而實現(xiàn)低成本的可穿戴氣體傳感器，可集成到工廠、建筑和清潔應(yīng)用中。該設(shè)備還可以通過使用環(huán)境光而不是內(nèi)部光源在反射模式下運(yùn)行，以開發(fā)更便宜、更簡單和小型化的傳感器平臺。

演示靈活的LC-MS氣體傳感器和集成穩(wěn)定裝置。（A）柔性超表面一步納米鑄造制造工藝的示意圖。用 1 μm 高的 a-Si：H 超表面制成的母印經(jīng)過化學(xué)處理，以降低粘合強(qiáng)度，從而簡化脫模過程。分離的聚合物模具是可重復(fù)使用的。（B）用于納米鑄造工藝的硅母版印章的SEM圖像（頂視圖）。插圖顯示傾斜的視圖圖像。（C） 所得柔性超表面的照片。（D）NP樹脂復(fù)合材料（NPC）超表面的相應(yīng)SEM圖像（俯視圖）。插圖顯示傾斜的視圖圖像。圖片來源：Inki Kim，POSTECH。（E 至 G）柔性和保形全息超表面氣體傳感器。完整的傳感器由柔性LC單元和NPC超表面組成，安裝在穩(wěn)定護(hù)目鏡的曲面上。與a-Si：H元全息圖的表征類似，532 nm波長的RCP光被照亮到柔性氣體傳感器上以顯示全息圖像。LC細(xì)胞和NPC超表面結(jié)合良好。圖片來源：Inki Kim，POSTECH。（H 和 I）實驗演示了正常條件下的全息穩(wěn)定信號和暴露于 IPA 氣體時的報警信號。與a-Si：H器件相比，NPC超表面不僅具有更小的臨界尺寸和更大的高度，這意味著更高的縱橫比，而且在壓印過程中也存在一些缺陷。因此，全息圖像的衍射效率和清晰度下降�？茖W(xué)進(jìn)展，doi：10.1126 / sciadv.abe9943

展望

通過這種方式，Inki Kim及其同事提出了通用和通用的設(shè)計規(guī)則，以實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)和刺激響應(yīng)超表面系統(tǒng)的潛力。擬議的LC-MS氣體傳感器平臺提供了一個適合檢測有毒氣體的快速視覺報警系統(tǒng)，該團(tuán)隊驗證了設(shè)計的氣體傳感器的實用性和可行性，以形成一個超緊湊，經(jīng)濟(jì)有效和用戶友好的氣體傳感器系統(tǒng)，無需復(fù)雜的要求。該系統(tǒng)可作為可穿戴傳感器使用，以防止氣體中毒事故，傳感器可以安裝在手套或眼鏡上，通過全息警報發(fā)出及時的視覺警告。