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柔性智能光电子器件在未来显示、人工智能和生物医学等诸多科技领域具有巨大的应用潜力。当前,性能优异、轻薄便携且易于集成的柔性智能光电子器件的理论设计研究和实验加工制备技术的相对滞后已逐步成为阻碍相关技术领域进步的瓶颈。本文重点研究新型智能材料的电控光学特性,并将亚波长结构与新型智能材料相集成,通过理论设计、仿真模拟和微纳加工制备出相关器件,并进一步研究相关柔性智能光电子器件的调控机制及性能特征,从而为获得实用化的柔性光电子器件打下一定的基础。具体研究内容及创新成果如下:(1)研究了有机电致变色材料:聚3,4—乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)薄膜在不同还原态下的光学性能。首先使用旋涂法在惰性金属电极上制备了均匀致密的PEDOT:PSS薄膜,然后在含有钠离子的电化学电池中对其进行梯度的氧化和还原反应,采用计时电流法研究其电化学特性。最终,经过对PEDOT:PSS薄膜材质特有的双稳态性质加以运用,使用椭偏仪对不同反应状态下的PEDOT:PSS薄膜的在整个可见光波段(400-800nm)光学特性进行了研究,获得了材料在不同反应状态下的折射率和消光系数。电化学实验结果显示,不同的工作电压(相对于参比电极)可使PEDOT:PSS薄膜处于不同的反应状态。当在电化学电池中对PEDOT:PSS薄膜施加0.6 V工作电压,可使其处于完全氧化态,即0%还原态,当对其依次施加-0.6 V、-0.8 V、-1 V、-1.2 V、-1.4 V的工作电压,可使其分别处于20%、40%、60%V、80%、100%的还原状态。椭圆光谱数据显示,在PEDOT:PSS薄膜由氧化态向还原态转化的过程中,材料的折射率随材料还原程度的增加而递增,材料的消光系数则随材料还原程度的增加而上升。(2)理论设计并实验制备了一种柔性可调谐超构透镜。该器件由柔性基底、透明电极、金属纳米块阵列、PEDOT:PSS材料和凝胶电解质组成。理论计算和仿真结果表明,利用金属纳米块结构单元方位角旋转度数的梯度变化,可以获得(0-2π)的全相位延迟。当PEDOT:PSS层由氧化态转变为还原态时,具有不同旋转角的单元结构的透射相位均增加相同数值,而透射振幅均减小相同数值。根据该独特性质,我们应用于可见光波段的聚焦能量可调谐的超构透镜进行了理论设计。采用电子束曝光光刻技术、电子束蒸发镀膜技术、剥离工艺以及丝网印刷技术在柔性衬底上加工制备了该器件。最后自主设计和搭建测试光路对器件性能做了测试和分析。实验结果显示,该可调谐超构透镜可以有效的对入射光进行聚焦,并且可以通过施加较小(<2.5V)的工作电压实时动态的对其聚焦能量进行实时动态调控,调制深度可超过80%。该调控过程不会影响器件的其他聚焦性能,焦距、焦点位置、聚焦模式均保持不变,并且是完全可逆的,响应速度小于1.3 s,平均功耗低于2.1 mW。(3)理论设计并实验制备了一种柔性智能彩色显示屏。该器件由柔性基底、集成有波导模式光栅的透明电极、PEDOT:PSS材料和凝胶电解质组成。理论计算和仿真结果表明,由不同周期的波导模式光栅阵列构成的全介质超表面可以显示不同的颜色。利用电压来动态控制PEDOT:PSS薄膜材料光学性质可以动态调控波导模式光栅阵列周围的介电环境,使其与入射电磁波共振模式发生改变,就可以“开启”或“关断”波导模式光栅阵列的颜色显示性能,由此可以实现彩色动态显示效果。利用电子束曝光光刻、激光直写光刻、感应耦合等离子刻蚀、丝网印刷以及刮涂等工艺在超薄的柔性衬底上加工制备了相关器件,自主搭建测试光路对器件性能做了测试和分析,并拍摄了相关动态显示视频。实验结果表明,该器件可以有效的显示各种颜色以及各种图案,当施加-1.5 V的工作电压使PEDOT:PSS膜处于氧化状态时,即器件处于“开”状态时,器件单元具有良好的彩色显示特性,可以同时显示红、橙、黄、绿、青、蓝等不同颜色,绝对反射率在12%到28%之间。而当施加2.5 V的工作电压使PEDOT:PSS膜处于还原状态,即器件处于“关”状态时,器件在整个可见波段的反射率几乎为零,意味着没有颜色显示出来,调制深度可以达到78%-90%该过程是完全可逆的且具有良好的循环特性。(4)提出并理论设计了一种基于柔性衬底和全介质超表面的高效超宽带反射式分束器。该器件由二氧化钛纳米圆柱阵列和叠层高效反射器组成。仿真计算结果表明所设计的全介质分束器具有出色的异常反射能力,能够在70 nm带宽(490-560 nm)范围内实现效率高于90%分束效果,尤其是在某些波长(530 nm)下,已经可以实现高于94%的转换效率。提出并理论设计了一种基于柔性衬底和二氧化钛纳米圆柱阵列的全介质透射式高效分束器,工作在可见光波段(532 nm)。数值仿真结果显示该分束器具有出色的异常透射能力,能量转换效率高达90%以上。提出并理论设计了一种基于柔性衬底、PEDOT:PSS和二氧化钛纳米圆柱阵列的透射式全介质可调谐分束器,工作在可见光波段(532 nm)。数值仿真结果显示通过电压可以在保持分束效果的前提下,动态调控该分束器的能量转换效率,能量转换效率的调制深度可达78%。