一张“电子纸”，登上Nature，突破极限！

视网膜电子纸突破人类视觉极限，开启超高清显示新纪元

随着显示技术从电影院屏幕、电视到智能手机和虚拟现实头显的不断发展，屏幕尺寸越来越小、分辨率越来越高，逐渐接近人眼观看的极限。然而，当发光像素尺寸不断缩小，其亮度和均匀性会下降，颜色串扰和制造复杂度也随之增加，这使得实现超高分辨率成像面临巨大挑战。相比之下，依赖环境光显示的电子纸虽能保持高对比度，却难以实现高分辨率。现有反射式显示技术，如反射液晶和电泳显示，受限于材料与结构，尚未突破1000 PPI的分辨率大关。

近日，瑞典乌普萨拉大学XiongKunli课题组提出了一种名为“视网膜电子纸”的全新显示技术，它采用三氧化钨纳米盘作为电致变色元像素，通过电化学还原实现绝缘体到金属的可逆转变，从而动态调控折射率与吸收率，实现纳米级的反射与对比度控制。该技术像素尺寸可小至560纳米，分辨率超过25,000 PPI，支持全彩色视频显示（刷新率超过25 Hz），反射率高达约80%，光学对比度约50%，能耗极低（0.5–1.7 mW cm⁻²），并具备支持红蓝3D显示的能力，为沉浸式虚拟现实系统提供了新一代解决方案。相关论文以“Video‐rate tunable colour electronic paper with human resolution”为题，发表在

Nature

图1展示了视网膜电子纸的基本概念与结构。图中a部分以示意图形式描绘了理想虚拟现实显示的设计理念：屏幕尺寸接近人眼瞳孔大小，并具备超高像素密度，模拟视网膜的视觉极限。b部分则揭示了元像素的构成：在玻璃基底上制备的WO₃纳米盘与反射层组成亚像素，通过调整纳米盘直径和间距，可选择性反射红、绿、蓝三原色；进一步调控亚像素间距还能生成青、品、黄等混合色。由于WO₃具有电致变色特性，其反射率可通过外加电压进行动态调制，从而实现RGB视频显示。

图1 | 视网膜电子纸示意图 a. 终极虚拟现实显示的概念图。显示屏尺寸接近人眼瞳孔，具备超高像素密度，模拟视网膜的视觉极限，支持超精细视觉细节。 b. 元像素结构图。元像素由WO₃纳米盘和反射层组成，位于玻璃基底上。通过调整纳米盘直径和间距，元像素可选择反射RGB颜色。进一步调控间距可生成如CMY等混合色。由于WO₃具有电致变色特性，可通过电化学反应可逆地调制其反射率，从而实现RGB视频显示。

图2详细呈现了WO₃元像素的设计与光学特性。通过固定纳米盘厚度为110纳米，调整其直径与间距，可实现覆盖整个可见光波段的结构色。研究团队筛选出适用于视网膜电子纸的RGB像素组合：红像素直径为220纳米、间距200纳米，绿像素为260纳米、间距200纳米，蓝像素为260纳米、间距140纳米。即使在像素尺寸缩小至420纳米时，红色像素在明场与暗场显微镜下仍保持色彩与反射率，显示其在高分辨率下的稳定性。此外，通过精确控制RGB亚像素之间的间距，可在相邻像素间产生青、品、黄混合色，符合加色混合原理，为全彩色显示奠定基础。

图2 | WO₃元像素的设计与表征 a. 元像素设计。左：通过调整WO₃纳米盘的直径和间距实现多样化的色彩调色板。虚线框标出选定的RGB像素及其包含CMY像素的中间区域。中：选定RGB像素的反射光谱。右：选定RGB像素对应的直径与间距数值。 b. 显微与结构表征。左：在100倍放大下拍摄的红色像素在20微米、2微米和420纳米尺寸下的明场与暗场显微镜图像。比例尺未标注具体数值。 c. 相邻亚像素之间的光栅模式受间距影响，改变反射混合色。 d. 合并像素生成CMY颜色的显微镜与扫描电镜图像。

图3聚焦于WO₃元像素的电化学调制性能。实验采用横向电极结构，工作电极与对电极间距仅500纳米，增强了局部电场，显著提升了切换速度。在施加短脉冲电压信号后，RGB元像素可在40毫秒内实现超过95%的光学对比度调制，完全支持视频级显示。电学测试显示，电流响应在30毫秒内完成95%的变化，表明离子在WO₃纳米盘中快速嵌入与脱出。此外，视网膜电子纸具备色彩记忆效应，静态图像下能耗仅为约0.5 mW cm⁻²，视频播放时约为1.7 mW cm⁻²，远低于传统电子纸技术。

图3 | WO₃元像素的电化学调制 a. 电化学表征实验设置。左：用于在电化学控制下表征WO₃元像素光学特性的横截面示意图。右：表征样品的显微镜图像，显示工作电极与对电极之间500纳米的间隙，增强局部电场以提升切换性能。比例尺：100微米。 b. 电化学控制的RGB元像素光学响应。左：选定RGB元像素在电化学调制开态与关态下的反射光谱，展示动态可调性。右：红色元像素在650纳米入射波长下的反射调制数值模拟，验证大部分电场集中在WO₃纳米盘中。 c. 切换速度表征。通过施加短脉冲电压信号，在40毫秒内实现95%的归一化光学对比度，支持视频级显示应用。 d. 与光学调制对应的电学特性。左：施加±4 V、40毫秒持续时间的电压脉冲产生相应的电流响应，95%的电流变化在30毫秒内完成，表明WO₃纳米盘结构中离子的快速传输。右：光学对比度变化、响应时间与电荷消耗之间的关系。

图4进一步验证了视网膜电子纸在实际显示中的应用潜力。通过青、品红、黄元像素重构了红蓝3D蝴蝶图像，展示了其在立体渲染方面的能力。此外，研究团队还以克里姆特名画《吻》为原型，在仅1.9×1.4毫米的微型屏幕上实现了4,300×700像素的超高分辨率显示。尽管在电解质环境中色彩饱和度略低于空气条件，但系统仍展现出明显的反射调制能力，证明了其在动态显示中的实用性。与iPhone 15的对比显示，视网膜电子纸在极小面积下实现了与之相当的分辨率，且色彩表现优于商用彩色电泳显示器。

图4 | 视网膜电子纸显示性能表征 a. CMY元像素的光学特性。左：选定CMY元像素的反射光谱展示其光谱响应。右：具有优化相邻亚像素间距的RGB像素照片，提升混合色与显示保真度。 b. 视网膜电子纸上的红蓝3D演示。左：红蓝立体蝴蝶原图分解为品红与青黄通道，以及对应的视网膜电子纸重建图像。比例尺：200微米。中：单个M与CY通道像素的显微镜图像，显示亚微米图案保真度。比例尺：2微米。右：全彩色红蓝蝴蝶图像；红蓝3D蝴蝶原图与模拟视网膜电子纸重建图像，展示高分辨率3D深度渲染。比例尺：200微米。 c. 《吻》的高分辨率显示对比：iPhone 15与视网膜电子纸的显示照片对比。视网膜电子纸表面积约为iPhone 15的1/4000。扫描电镜与显微镜图像确认显示色彩由精确排列的CMY亚像素生成。比例尺：2微米与200微米。 d. 视网膜电子纸对《吻》的电化学显示。照片显示在开态与关态下《吻》在视网膜电子纸上的显示，展示电化学调制的可逆色彩调制。

视网膜电子纸不仅达到了人类视觉的理论分辨率极限，还具备高反射率、高对比度和全彩色视频播放能力，为终极虚拟现实显示提供了可行路径。尽管在色域、刷新率与稳定性方面仍需优化，其低功耗、环境光兼容性以及可与波导AR/VR光学系统集成的特点，预示着它在未来沉浸式视觉技术中的广阔前景。随着超高分辨率TFT阵列等配套技术的发展，这项技术有望彻底改变下一代显示设备的形态与应用场景。