Finjustering af en regnbue af farver på nanoskala

(Phys.org) — TV'er, billedsensorer, iPads, digitale kameraer og andre moderne enheder bruger filtre til at vise bredden af ​​tilgængelige farver i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum.

Konventionelle farvefiltre er typisk lavet af organiske farvestoffer eller kemikalier, men de kan blive beskadiget af varme og ultraviolet stråling (UVR), og de er komplicerede og dyre at fremstille, især til miniaturekameraer og billedkameraer.

Af disse grunde, siger Beibei Zeng, ingeniører henvender sig til plasmoniske farvefiltre (PCF'er), som er baseret på overfladeplasmoner, eller den kollektive oscillation af elektroner ved metal/dielektriske grænseflader. Disse filtre er fremstillet ved at fremstille, på en tynd metalfilm, arrays af huller med diametre på 100 nanometer eller mindre (1 nm er lig med en milliardtedel af en meter).

Ved at variere geometrien af ​​disse nanohuller - deres diameter, form, periodicitet og mønster - det er muligt at kontrollere de farver, der transmitteres, og at skabe transmittere et bredt spektrum af farver til billedbehandlingsapplikationer.

"PCF'er har mange fordele, " siger Zeng, der er ph.d. kandidat i elektroteknik. "De er nemme at lave, og de kan nemt indstilles over en bred vifte af farver. de er meget stabile og de er ikke sårbare over for skader fra varme, fugtighed eller UVR."

I deres nuværende udvikling, imidlertid, PCF'er har en stor ulempe:effektiviteten, hvormed de transmitterer lys, er kun omkring 30 procent - mindre end halvdelen af ​​hastigheden på 80 procent transmissionseffektivitet opnået med konventionelle farvefiltre.

Zeng leder et Lehigh-forskerhold, der har udviklet en ny PCF-ordning, der opnår en transmissionseffektivitet på 60 til 70 procent. Metoden er afhængig af en subtraktiv filtreringstilgang, der adskiller sig fundamentalt fra de additive filtre, der typisk anvendes i PCF'er.

Gruppen rapporterede sine resultater for nylig i et papir med titlen "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Colour Filters, ", som blev udgivet af Videnskabelige rapporter , en udgivelse af Naturgruppen. Papiret er skrevet af Zeng; Filbert J. Bartoli, afdelingsformand og professor i el- og computerteknik og Zengs rådgiver; og Yongkang Gao, der for nylig afsluttede sin ph.d. i elektroteknik på Lehigh.

Drag fordel af fremskridt inden for nanofabrikation

Subtraktive farvefiltre (SCF'er) er meget udbredt i billedsensorer, siger Zeng. De har fordele i forhold til additive farvefiltre (ACF'er) i farvesignalstyrke og lystransmission, men forskere har endnu ikke været i stand til at producere højtydende plasmoniske SCF'er.

Zengs gruppe viste, at den var i stand til at øge effektiviteten af ​​plasmoniske SCF'er i en undersøgelse, der kombinerede teoretisk design, simulering, fremstilling ved hjælp af fokuseret ionstrålelitografi, og eksperimentel demonstration.

"Vi er heldige hos Lehigh at have brede tværfaglige forskningskapaciteter, " siger Zeng. "Efter at vi har lavet teoretisk arbejde, vi fremstiller enheder og udfører derefter eksperimenter, der fortæller os, om enhederne vil fungere eller ej."

Det teoretiske arbejde og simuleringen hjalp hans gruppe med at afklare den underliggende fysik i det Zeng kalder det "kontraintuitive" fænomen ekstraordinær lav transmission (ELT) i ultratynde nanomønstrede metalfilm. Rapporteret relativt nylig, ELT anses af forskere for at holde løfte om udviklingen af ​​nye polarisationsfiltre.

Zengs gruppe udforskede ELT på en 30 nm tyk sølvfilm mønstret med endimensionelle nanograteringer og opnåede subtraktiv farvefiltrering med en transmissionseffektivitet på op til 70 procent. De var i stand til at generere cyan, magenta og gule farver ved at fjerne deres komplementære komponenter (rød, blå og grøn) fra den synlige del af det elektromagnetiske spektrum.

Nylige fremskridt inden for nanofabrikation, siger Zeng, satte hans gruppe i stand til at arbejde med de ultratynde film, som er næsten en størrelsesorden tyndere end de 200 nm tykke film, hvorpå additive PCF'er typisk er ætset. Mønster på de ultratynde sølvmetalfilm har forårsaget kritiske ændringer i deres fysiske og optiske egenskaber og gjort det muligt for gruppen at øge transmissionseffektiviteten af ​​plasmoniske SCF'er betydeligt.

"Den relative tyndhed af vores filtre forårsager en kobling i de elektromagnetiske resonanser i toppen og bunden af ​​metaloverfladen, " siger Zeng. "Dette sker ikke med tykkere metalfilm. Uden denne kobling, der opstår en transmissionstop; med det, toppen bliver til en dal og forårsager et transmissionsdyk.

"Vi kan kontrollere denne transmissionsdip ved at tune dimensionerne af nanostrukturerne på metalfilmen. For bare et par år siden, vi kunne ikke fremstille så tynde strukturer. Nu kan vi fremstille nanostrukturer systematisk og opnå fin kontrol af farverne, der transmitteres gennem de nanostrukturerede film."

Ud over at opnå transmissionseffektivitet, der nærmer sig den for kommercielle billedsensorer, de plasmoniske SCF'er øger den rumlige opløsning ved at give ultrakompakte pixelstørrelser, som er påkrævet i high-definition tv og i de nyeste smartphones. Dette sker på grund af kortdistance-interaktionerne mellem overfladeplasmonpolaritonerne (SPP'er) mellem tilstødende nanostrukturer ved ELT-resonanser.

Denne polarisationsafhængige farvefiltrering, gruppen skriver ind Videnskabelige rapporter , giver 1-D plasmoniske SCF'er potentialet til at "fungere som transparente vinduer under tværgående elektrisk polarisering" og gør dem "meget attraktive" for næste generation af transparente skærme.

"Disse unikke polarisationsafhængige funktioner gør det muligt for de samme strukturer at fungere enten som farvefiltre eller meget gennemsigtige vinduer under forskellige polariseringer, åbner en vej mod gennemsigtige skærme i høj opløsning."

"Nuværende gennemsigtige skærme er i øjeblikket begrænset af deres lave rumlige opløsning og dårlige farveskala, " siger Zeng. "Vores arbejde med plasmoniske SCF'er har løst begge problemer. Vi kan få den farve, vi ønsker, og med meget høj opløsning på grund af vores ultrakompakte pixelstørrelser."

Gruppens papir er blevet downloadet mere end 1, 300 gange siden den blev udgivet i oktober, og det blev for nylig citeret i en artikel udgivet af Nano bogstaver .