Filtrado de color estructural de área grande Aprovechando la configuración nanoporosa de metal-dieléctrico-metal

Métodos / Experimental

Diseño del esquema de filtrado de color de área grande propuesto

En este estudio, nuestro objetivo es desarrollar un esquema de filtrado de color altamente eficiente para aplicaciones de gran área al capitalizar una configuración resonante de MDM nanoporosa capaz de soportar resonancia FP además del efecto plasmónico. La Figura 1a representa la configuración esquemática del dispositivo de filtrado de color basado en la estructura de MDM propuesto, donde una película de NAA se intercala entre un sustrato de Al ópticamente grueso y una capa fina de Al superior. El grosor de la capa de NAA y Al superior se indica como t ₁ y t ₂ , respectivamente. Para la fabricación de una estructura nanoporosa, la película NAA es una estructura porosa autoensamblada que se originó a partir de una placa de Al a través de un proceso de anodización simple en lugar de a través de enfoques convencionales que dependen de la complicada y costosa litografía por haz de electrones. Como se muestra en la Fig. 1b, la película de NAA consiste en una red hexagonal de poros con el diámetro de d. El espacio entre dos poros adyacentes está representado por Ʌ . Cuando el espacio entre dos poros es lo suficientemente pequeño en comparación con la longitud de onda de interés, las capas nanoporosas, que abarcan el recubrimiento superior de Al y la película NAA, se comportan como medios cuasi homogéneos. Por lo tanto, configuramos apropiadamente Ʌ y d a 100 y 65 nm, respectivamente. La teoría del medio efectivo se ha utilizado comúnmente para dilucidar las propiedades de tales estructuras nanoporosas [34, 35].

un Geometría esquemática de la estructura propuesta basada en la película de NAA recubierta de Al sobre un sustrato de Al para el filtrado de color de gran área. b Vista superior de la película NAA con una red hexagonal de nanoporos

Para la estructura MDM asimétrica habilitada para resonancia FP, la reflexión se suprime fuertemente en la resonancia, lo que corresponde a una caída de reflexión, cuando la interferencia deconstructiva ocurre entre la luz reflejada directamente en la interfaz aire-Al superior y la luz acoplada resonantemente dentro del NAA cavidad. A diferencia de la estructura MDM convencional basada en capas continuas [12,13,14], se espera que la estructura nanoporosa propuesta sintonice los colores de reflexión no solo cambiando el grosor de la cavidad dieléctrica sino también alterando el diámetro de los poros o el espacio [28, 29]. Más importante aún, debido a la capa superior de Al nanoporoso, la estructura propuesta es capaz de permitir un fuerte efecto plasmónico además de la resonancia FP, que puede reforzar eficientemente la absorción de la estructura propuesta. La estructura propuesta se diseña y evalúa cuidadosamente con una herramienta basada en el método FDTD. Las características de dispersión de los materiales utilizados para las simulaciones se derivan del modelo integrado de coeficientes múltiples proporcionado por la herramienta. Para simplificar, la región de simulación, que se indica con un cuadro rojo punteado en la Fig. 1b, solo contiene una estructura unitaria, y los límites periódicos se aplican para x y y ejes. Se establece un refinamiento de malla automático no uniforme predeterminado con una precisión de malla de 3 para toda la región de simulación. Esta configuración asegura un buen equilibrio entre precisión y tiempo de simulación. Una onda plana sirve como fuente de luz. Establecimos el espesor de la capa superior de Al en 15 nm a través de un conjunto de simulaciones para obtener una inmersión de reflexión cercana a cero con el fin de producir colores de alta pureza. Luego, se investiga la sintonización espectral sobre el espesor de la cavidad NAA, como se representa en la Fig. 2a. Como el espesor de NAA t ₂ varía de 110 a 180 nm, la longitud de onda de resonancia se desplaza ligeramente al rojo de 465 a 670 nm, cubriendo toda la banda espectral visible. Cuando el grosor del NAA aumenta aún más, la caída de resonancia finalmente entra en la banda del infrarrojo cercano. Mientras tanto, aparece una caída de resonancia de orden superior con un ancho de banda relativamente estrecho desde la banda ultravioleta a la banda visible con un grosor de NAA que varía de 250 a 320 nm. Cabe señalar que se desea una única inmersión de resonancia en la banda visible para la producción de colores de reflexión vívidos con alta pureza. Para estimar la pureza del color de la estructura propuesta, las coordenadas de cromaticidad que corresponden a los espectros de reflexión se calculan y se mapean en el diagrama de cromaticidad estándar de la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) 1931, como se muestra en la Fig. 2b. Se observa que las coordenadas de cromaticidad evolucionan a lo largo de la flecha negra a medida que aumenta el grosor del NAA. En particular, la traza circular de las coordenadas de cromaticidad con un grosor de NAA que aumenta de 110 a 180 nm indica que el esquema propuesto es capaz de lograr colores vivos y completos mediante el simple ajuste del grosor de NAA. La Figura 3 muestra los espectros de reflexión dependientes de la polarización de la estructura propuesta con diferentes espesores de cavidad de t ₂ =110, 160 y 320 nm. Se observa que se mantienen los mismos espectros de reflexión en términos de longitud de onda de resonancia y eficiencia de reflexión, ya que el ángulo de polarización de la luz incidente varía de 0 ° a 90 °. Por lo tanto, se considera que la estructura propuesta habilita la propiedad independiente de la polarización, que se atribuye a la geometría simétrica de la estructura propuesta.

un Respuestas espectrales de reflexión simuladas de la estructura de filtrado de color propuesta con un grosor de NAA que varía de 110 a 320 nm. b Coordenadas de cromaticidad correspondientes en el diagrama de cromaticidad CIE 1931

Espectros de reflexión simulados de la estructura propuesta con respecto a la polarización incidente

Fabricación de dispositivos de filtrado de color

Con el fin de evaluar el esquema de filtrado de color propuesto, fabricamos tres muestras con diferentes espesores de NAA mediante los siguientes procesos de fabricación. La lámina de aluminio comercial de alta pureza (99,999%) se desengrasó inicialmente en acetona y posteriormente se lavó en alcohol isopropílico y agua desionizada sin ningún otro tratamiento previo antes de la adonización. La lámina de Al preparada se cortó en trozos cuadrados, que se colocaron en un soporte de fabricación propia con un área efectiva de 2 cm x 2 cm durante el proceso de anodización. El contenedor de electrolito era un vaso de precipitados transparente con un volumen total de 4 L. En este experimento, se implementó secuencialmente un proceso de anodización de dos pasos. En el primer paso, la anodización se realizó sumergiendo las piezas cuadradas de lámina de aluminio en ácido oxálico 0,3 M bajo el voltaje de anodización constante de 40 V a temperatura ambiente durante 30 min. Posteriormente, las muestras anodizadas se sumergieron en una mezcla de 6.0% en peso de H ₃ PO ₄ y 1,8% en peso de H ₂ CrO ₄ a 60 ° C durante 5 h para la eliminación de las capas oxidadas. En el segundo paso, la anodización se realizó con las mismas condiciones experimentales utilizadas en el primer paso. Como resultado, las partes parcialmente anodizadas de las piezas originales de lámina de Al se transformaron en películas de NAA con poros rectos bien definidos. Se formó una capa de alúmina ópticamente gruesa no deseada dentro del poro en la parte superior de la hoja de Al subyacente debido a la oxidación del Al durante la segunda etapa de anodización. Para eliminar completamente la capa de alúmina no deseada dentro del poro, las muestras anodizadas se disolvieron en 6.0% en peso de H ₃ PO ₄ a 60 ° C durante 10 min. Finalmente, se prepararon tres muestras con diferentes espesores de NAA de 110, 160 y 320 nm, controlando con precisión el tiempo de anodización. Las vistas superior y en sección transversal de las muestras de NAA fabricadas se presentan en la Fig. 4a, mostrando una estructura nanoporosa satisfactoria con poros bien formados y alta periodicidad. Para las muestras preparadas, el diámetro de los poros y el espacio entre dos poros vecinos se midieron para ser d =65 nm y Ʌ =100 nm, respectivamente. Luego, se depositó una capa de revestimiento de Al en la parte superior de la película de NAA preparada mediante deposición por pulverización catódica bajo la presión base de 6,7 x 10 ^-5 Pa y 2,0 kW de potencia en corriente continua durante 260 s. En particular, se seleccionó la tasa de deposición mínima de 0,5 Å / s para garantizar la precisión del espesor de la capa de Al depositada. La Figura 4b ilustra la vista superior de las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los dispositivos de filtrado de color fabricados con finas capas de revestimiento de Al en la parte superior. Se midió que el espesor de las capas de Al depositadas era t ₁ =16 nm, que está cerca del espesor diseñado.

un Vistas superior y transversal de las imágenes SEM de las películas NAA fabricadas con diferentes espesores de t ₂ =110, 160 y 320 nm, respectivamente. b Vista superior de las imágenes SEM de la estructura propuesta basada en película NAA recubierta de Al

Caracterización óptica de los dispositivos de filtrado de color preparados

El rendimiento óptico de cada muestra preparada se evaluó minuciosamente con respecto al color de reflexión y la respuesta espectral. La Figura 5a muestra los colores de reflexión medidos con incidencia normal de las muestras fabricadas con grandes dimensiones de 2 cm x 2 cm. Se observaron colores sustractivos primarios vívidos de amarillo, cian y magenta, verificando que el enfoque de filtrado de color propuesto es capaz de reproducir la generación a todo color con una pureza de color altamente mejorada. Para una mejor comprensión de la alta pureza lograda, se implementó una configuración experimental personalizada, que incluía una lámpara halógena que sirve como fuente de luz, un divisor de haz y un espectrómetro, para medir los espectros de reflexión de las muestras preparadas. La Figura 5b, c representa los espectros de reflexión medidos junto con los espectros de reflexión simulados como referencias, donde se observó una buena correlación entre el experimento y la simulación con respecto a la longitud de onda de resonancia y las formas de los espectros de reflexión. Una pequeña discrepancia en el ancho de banda espectral y la eficiencia de reflexión se puede atribuir a la imperfección de la fabricación con respecto al diseño, incluida la rugosidad de las interfaces Al-NAA y la periodicidad y el tamaño inconsistentes de los poros, que se pueden observar fácilmente en la Fig. 4. También se encuentra que las muestras fabricadas con espesores de NAA de 110, 160 y 320 nm tenían caídas de resonancia cercanas a cero ubicadas en longitudes de onda de 484, 614 y 539 nm, respectivamente, y prácticamente lograron altas eficiencias de reflexión de hasta 73%. Las coordenadas de cromaticidad correspondientes a los espectros simulados y medidos se calcularon y representaron en el diagrama de cromaticidad CIE 1931, como se muestra en la Fig. 5d. Se confirma que los colores de reflexión de alta pureza observados que se muestran en la Fig. 5a se benefician de la alta eficiencia de reflexión lograda y la caída de reflexión cercana a cero.

un Imágenes ópticas en color capturadas con una incidencia normal de los dispositivos fabricados con diferentes grosores de NAA de t ₂ =110, 160 y 320 nm. b Simulado y ( c ) espectros de reflexión medidos de los dispositivos fabricados. d Coordenadas de cromaticidad correspondientes en el diagrama de cromaticidad CIE 1931 en respuesta a los espectros simulados y medidos

Resultados y discusión

Investigación del efecto plasmónico

Para examinar el efecto plasmónico habilitado por la capa nanoporosa de Al, investigamos a fondo la estructura propuesta reemplazando la cavidad NAA con una cavidad homogénea equivalente que exhibe un índice de refracción efectivo. Basado en la teoría del medio efectivo, el índice de refracción efectivo de la cavidad NAA con un espacio de poro de 100 nm y un diámetro de poro de 65 nm se obtiene como n _ef =~ 1,48, según la ecuación expresada de la siguiente manera:

$$ \ left ({n ^ 2} _ {\ mathrm {eff}} - {n ^ 2} _ {{\ mathrm {Al}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3} \ right) / \ left ( {n ^ 2} _ {\ mathrm {eff}} + 2 {n ^ 2} _ {{\ mathrm {Al}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3} \ right) ={f} _ {\ mathrm {aire}} \ izquierda (1- {n ^ 2} _ {{\ mathrm {Al}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3} \ derecha) / \ izquierda (1 + 2 {n ^ 2} _ { {\ mathrm {Al}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3} \ derecha). $$ (1)

Aquí, el índice de refracción de la alúmina (Al ₂ O ₃ ) es n _Al2O3 =1.77 y la fracción de llenado de aire dentro de la cavidad NAA es \ ({f} _ {\ mathrm {air}} =\ pi {\ left (d / \ Lambda \ right)} ^ 2/2 \ sqrt {3} \). La figura 6a muestra una comparación de los espectros de reflexión entre las estructuras basadas en la cavidad NAA y la cavidad homogénea con n _ef de 1,48 para diferentes espesores de cavidad de t ₂ =110, 160 y 320 nm. Se puede observar una buena correlación entre los dos casos, lo que indica que la estructura propuesta puede ser equivalente con seguridad a la estructura basada en una cavidad homogénea con un índice efectivo de 1,48. Para la estructura equivalente basada en la cavidad homogénea, la influencia de los poros dentro de la capa superior de Al en el espectro de reflexión se representa en la Fig. 6b. En comparación con el caso que no incluye ningún poro en la capa superior de Al, la estructura propuesta consiste en una capa superior de Al con un diámetro de poro de d =65 nm puede mejorar fuertemente la absorción en resonancia. El claro corrimiento al rojo observado en la longitud de onda de resonancia se puede atribuir al resultado del efecto plasmónico y al cambio de fase en la reflexión en la capa superior de Al. Para verificar si los poros introducidos en la capa superior de Al conducen a la mejora de la absorción observada a través del efecto plasmónico, monitoreamos el campo eléctrico (| E |) perfiles en resonancia en la x - z plano para los dos casos con y sin la presencia de poros en la capa superior de Al, como se ilustra en la Fig. 6c. En la estructura con capa de Al no porosa, a pesar de que se puede observar una fuerte mejora del campo dentro de la cavidad a la longitud de onda de resonancia de 559 nm debido a la resonancia FP soportada por las estructuras MDM, parte de la luz todavía se refleja. Mientras que para la estructura con capa superior porosa de Al, se observa que el realce del campo eléctrico no solo está dentro de la cavidad sino también dentro del poro en la capa superior de Al a través del efecto plasmónico a la longitud de onda de resonancia de 622 nm. Como resultado, la luz está casi completamente confinada dentro de la estructura propuesta, correspondiente a la caída de reflexión cercana a cero que se muestra en la Fig. 6b.

un Espectros de reflexión simulados de la estructura propuesta basada en la cavidad NAA y la estructura equivalente basada en una cavidad homogénea con índice de refracción efectivo ( n _ef ) para diferentes espesores de cavidad de t ₂ =110, 160 y 320 nm. b Espectros de reflexión simulados de las estructuras, incluida la capa superior de Al sin poro y con poro ( d =65 nm)

Influencia de la oxidación del Al

En particular, una capa de alúmina de 0,5 a 4 nm de espesor se formó espontáneamente en la superficie del Al debido a la oxidación del Al por aire a temperatura ambiente [36, 37]. La capa de alúmina que actúa como capa pasiva estable puede proteger al Al de una oxidación adicional. Teniendo en cuenta esta situación, se inspeccionaron los espectros de reflexión y las correspondientes coordenadas de cromaticidad de la estructura con diferentes espesores de NAA, respectivamente, como se muestra en la Fig. 7. Como espesor de la capa de alúmina en la superficie de las capas de Al, incluida la parte superior nanoporosa Capa de Al y el sustrato de Al inferior, aumentado de t ₀ =0 a 4 nm, y los espectros de reflexión mantuvieron una buena consistencia en términos de longitud de onda de resonancia y eficiencia de reflexión. Además, las coordenadas de cromaticidad indicaron una salida de color estable después de la oxidación de Al. Como resultado, la oxidación del aire del Al apenas afectó el rendimiento óptico de la estructura propuesta. A modo de comparación, también se evaluó la estructura sin una capa de revestimiento de Al. Como se muestra en la Fig. 8, el espesor de la película de NAA fue de 160 nm. Se observó el color gris, que es el color original de la lámina de Al, lo que confirma además que el esquema de filtrado de color propuesto permitía una pureza de color muy mejorada. Como indican los espectros de reflexión simulados y medidos de la estructura sin una capa de Al en la parte superior, no se observó ningún fenómeno de resonancia obvio en la banda espectral visible, lo que resultó en el color de reflexión de baja pureza observado. En particular, la apariencia del espectro de reflexión de la película NAA sin la capa de revestimiento de Al fue similar independientemente del grosor de la película NAA, mientras que el de la película NAA revestida con Al dependía en gran medida del grosor.

Espectros de reflexión simulados de la estructura propuesta considerando la capa de alúmina formada sobre el Al debido a la oxidación por aire de los diferentes espesores de cavidad de NAA de 110, 160 y 320 nm

Imagen de color óptico capturada de los espectros de reflexión simulados y medidos de la estructura de referencia sin una capa de recubrimiento de Al en la parte superior de la película NAA

Conclusiones

En resumen, propusimos y demostramos un método atractivo para lograr la generación de color en áreas grandes con alta pureza de color mediante el uso de una fina capa de revestimiento de Al junto con la película de NAA sobre un sustrato de Al ópticamente grueso. Según la teoría del medio efectivo, las capas nanoporosas pertenecientes a la estructura propuesta, incluida la capa de revestimiento de Al y la película de NAA, se comportan como medios cuasi homogéneos con ciertos índices de refracción efectivos. Como resultado, la estructura propuesta funciona como una estructura resonante MDM que permite la resonancia FP, donde la longitud de onda de resonancia correspondiente al color de reflexión se sintoniza fácilmente simplemente cambiando el grosor de NAA. Mientras tanto, al aprovechar la capa superior de Al nanoporoso, encontramos que la estructura propuesta apoyaba el efecto plasmónico, que puede mejorar fuertemente la absorción que conduce a la caída de reflexión cercana a cero observada. Las prestaciones ópticas de la estructura propuesta en función de su geometría se analizaron teóricamente utilizando la herramienta basada en el método FDTD. Sobre la base de parámetros optimizados, se fabricaron tres muestras con diferentes espesores de NAA en un área de 2 cm x 2 cm. A través del análisis de los resultados experimentales, se verifica que las muestras preparadas exhiben colores de reflexión vívidos con una alta eficiencia de reflexión de hasta aproximadamente el 73%. El enfoque propuesto no solo puede conducir a una mejor comprensión del mecanismo de ajuste de color de la configuración basada en películas NAA, sino que también representa un paso importante hacia la realización de dispositivos rentables de filtrado de color de gran área en una gran cantidad de aplicaciones. como dispositivos de visualización / imágenes, células fotovoltaicas y tecnologías de biosensores.

Abreviaturas

| E |:

Campo eléctrico

Al:

Aluminio

Al ₂ O ₃ :

Alúmina

CIE:

Comisión Internacional de Iluminación

haz electrónico:

Haz de electrones

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

FP:

Fabry-Perot

MDM:

Metal-dieléctrico-metal

NAA:

Alúmina anódica nanoporosa

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

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