一抹透明且不變色的銀，為柔性顯示和觸屏技術帶來革新

銀是古代就已知並加以利用的金屬之一，也是一種重要的貴金屬。銀的理化性質均較為穩定，導熱、導電性能很好，質軟，富延展性，因此也曾作為我們的流通貨幣之一。

在這個納米材料層出不窮的時代，納米尺寸下的銀也有著十分誘人的特性——一定尺寸下，能夠在可見光和近紅外光波段中產生表面等離子體共振，是傳輸可見光和近紅外光的最佳等離子體激元材料。但是，要得到相當薄且狀態穩定的高質量銀膜層十分困難，這也制約了銀薄膜作為納米光器件材料的應用和發展。

密歇根大學電子工程和計算機工程學系教授郭凌傑（L. Jay Guo）手持這種新材料

而來自密歇根大學（University of Michigan）的研究團隊研製出了一種能存在於空氣中的最薄的銀原子薄膜，並且材料表面十分光滑。他們別出心裁地在銀薄膜沉積過程中加入了鋁原子，並以此成功地獲得了超薄且平整的銀薄膜，暴露在空氣中且不會變色。在沉積完一層抗反射塗層後，銀薄膜的透明度達到了92.4%。如此良好的透明度和導電性能用於製作新型的觸摸屏、平面顯示屏和柔性顯示屏。

該研究成果以論文的形式發表在了《先進材料（Advanced Materials）》。

研究團隊還表示該材料作為光波導的性能也十分優異：因為光是在銀薄膜表面利用表面等離子體共振進行傳播，所以光在其中傳播損耗特別小，在其中傳播的距離是在其它金屬波導中傳播的10倍。

依靠這樣的原理，研究團隊還將這樣的銀薄膜用於超級透鏡的製作，解析度能達到一般光學顯微鏡達不到的尺寸，甚至能與電子顯微鏡媲美。這樣的鏡頭能夠用於電子晶元的光刻工藝，甚至能夠取代如今深紫外光刻技術。這對於計算機硬體技術的發展無疑是一大推力。

觸摸屏的材料之爭

我們都知道，顯示屏幕需要很多透明的電極來控制像素點的暗與亮，而觸摸屏就更是需要這些電極了，我們從觸摸屏的構成上就能看出來。簡單而言，觸摸屏是由一層不導電的玻璃或者塑料層加上一層透明的導電層構成。

以電容屏為例，正常狀態，屏幕的導電情況或者說電荷分布是不變的，而一旦有導體例如我們的手指觸碰了屏幕，情況就會發生改變，而系統也會因此檢測到相應的信號。

觸摸屏功能示意圖

如今製作觸摸屏上導電層的材料，用的最多的就是「氧化銦錫（ITO）」，這是一種金屬氧化物，將它塗在玻璃或者塑料的表面，就可以得到透明的薄膜。

對此，密歇根大學電子工程和計算機工程學系教授郭凌傑（L. Jay Guo）表示：「透明電極的市場就被這一種材料壟斷至今。但是由於觸摸屏市場的不斷壯大，這種材料現在也變得越來越貴了。之前是很便宜，不過現在價格飆升了。」

就觸摸屏的應用來說，銀薄膜的確擁有替代ITO材料的能力。不過高質量高性能的銀薄膜並不好做，郭教授就此解釋：「通常情況下，製作小於15納米厚或以下的銀薄膜是十分困難的，這隻有100個銀原子厚了，薄膜的連續性並不好。這樣的情況下，銀原子總是喜歡一群一群聚集在一起形成孤島，而不是一層完整的原子層薄膜。」

不過，研究團隊最終還是找到了訣竅——在沉積過程中加入了6%的鋁原子，成功長出了7納米的銀薄膜（這是理論限制值的一半）。更加神奇的是，他們將其暴露在空氣中，摻鋁銀薄膜並沒有像純銀薄膜一樣產生顏色的變化。並且在幾個月之後，摻鋁銀薄膜還保持了它原有的導電性能以及透明度，也不會從玻璃上脫落。就算使用透明膠帶粘，摻鋁銀薄膜也不會脫落。

表面等離子體共振

除了在顯示方面的應用，銀還有著超強的波導能力，特別是能夠將可見光和紅外光在其表面傳播。這種傳播形式就是表面等離子體，是由入射光引起的銀薄膜表面電磁場的震蕩。

簡單而言，當光波（電磁波）照射在銀薄膜表面時，銀原子層表面的電荷能與光波耦合。如果銀薄膜尺寸和入射光頻率相符，銀原子層表面的電荷還會產生震蕩的現象，這就形成了一種特殊的電磁模式——表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance），此時光波作為電磁波會被局限在金屬表面並發生增強。

這種震蕩與銀薄膜的尺寸有關，也有隻有特殊波段的光才能激發，所以表面等離子體共振能從側面顯示出光的頻率。那麼我們也能利用這樣的原理來使用光來傳播信息，這其實和光纖的效果是一樣的，在一端編碼並發射光信號，然後在另一端接收信號並解碼出傳遞的信息。

但是在摩爾定律的推動下，如今的電子電路越來越小，光纖的尺寸卻還不能縮小到電子晶元中導線那樣的尺寸，那麼等離子體光波導也就承擔了小尺寸世界「光纖」的任務，比電子傳輸信息的速度快了不止一點半點。而且等離子體傳輸對於信號的損耗幾乎是沒有的，這也使得銀薄膜傳輸數據的距離變得很長，平整的銀薄膜能夠在1厘米的距離完成傳輸，這足以用於計算機晶元之中。

銀薄膜等離子體的特性還能用於製作超材料（Metamaterial），這是一種有著非常規光學特性的材料，折射率可以為負，是製作「完美鏡頭（Perfect Lens）」的材料，能夠在衍射極限以下對物體進行成像。如圖所示，由超材料構成的超材料超級透鏡能夠將物體射出的光線匯聚起來，進行成像。這是常規光學鏡頭無法做到的，這也是超材料超級透鏡擁有超高解析度的原因。

超材料以及超材料超級透鏡示意圖

而將銀薄膜與一些電介質組合，例如玻璃，也能夠製作成為另一種的超級透鏡。如下圖所示，就是超級透鏡的工作原理，入射光彙集在鏡頭內在空氣與玻璃交界處產生的全反射會產生一種漸逝波（evanescent wave），屬於近場光學的範疇。而銀薄膜此時就擔當「光學感測器」的職責，探測這樣的漸逝波與樣品之間的相互作用，從而得到樣品的尺寸信息。

超級透鏡的原理

總的來說，使用銀薄膜製成的超級透鏡是一個解析度遠超平常顯微鏡的光學透鏡，能夠看到小於光波長的物體，也能用在晶元上的精準激光切割。

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