Color estructural de amplia gama e independiente de la polarización en resolución espacial de límite de subdifracción óptica basada en LSPP desacoplados

Introducción

Los sensores de imágenes digitales, que se han utilizado ampliamente para fotografía, imágenes de video y visión artificial, están avanzando hacia la dirección de la miniaturización y la alta resolución. Supone un gran desafío para los elementos ópticos convencionales como los filtros de color para mejorar la resolución espacial [1]. En 2015 se demostró un sensor de imagen digital de ultra alta resolución con un tamaño de unidad de imagen de 50 nm mediante matrices de nanobarras verticales [2], mientras que el tamaño de unidad del filtro de color tradicional fabricado principalmente con polímeros de colorantes orgánicos o pigmentos químicos era de varios micrómetros. Por lo tanto, una unidad de filtro de color cubrirá varias unidades de imágenes y provocará una pérdida en la resolución de la imagen, lo que no podría satisfacer la demanda de imágenes de alta resolución en el futuro [3].

Recientemente, el filtrado de color basado en colores estructurales proporciona un método alternativo para controlar la luz espacialmente [4, 5, 6]. El color estructural se basa principalmente en la interacción entre la luz y diversas nanoestructuras en lugar de materiales, por lo que es capaz de generar tamaños de píxeles mucho más pequeños que los píxeles logrados hoy en día en los sensores de imagen [7,8,9,10,11]. El límite de difracción clásico de Abbe establece que la distancia mínima que se puede resolver entre dos objetos estrechamente espaciados es, en el mejor de los casos, la mitad de la longitud de onda utilizada para obtener imágenes en luz visible [12]. Desde el descubrimiento del fenómeno de transmisión óptica extraordinaria (EOT) en 1998 [13], los efectos plasmónicos se han utilizado ampliamente para diseñar filtros de color estructurales (SCF), lo que brinda la posibilidad de que el filtro de color obtenga una resolución espacial que alcance el límite de subdifracción. [14, 15, 16, 17]. En la actualidad, se han informado muchos tipos de SCF con una variedad de nanoestructuras plasmónicas [18], como matrices periódicas de nanoagujeros de sublongitud de onda [19,20,21], nanodiscos plasmónicos [22,23,24], estructuras híbridas de nanoagujeros y nanodiscos [ 25,26,27,28] y rejillas metálicas de sublongitud de onda [29,30,31,32]. Para las aplicaciones de SCF en sensores de imagen, el tamaño de píxel pequeño, la amplia gama de colores, el gran ángulo de visión y la independencia de polarización son los principales problemas que deben abordarse. Burgos et al. exhibió una especie de SCF plasmónicos basados ​​en las matrices periódicas de orificios metálicos de sublongitud de onda. Los colores se establecieron por la periodicidad de los bloques de construcción plasmónicos debido al efecto de acoplamiento, lo que resultó en píxeles de tamaño micrométrico [33]. Los colores estructurales generados a partir de metasuperficies totalmente dieléctricas con un alto índice de refracción y baja pérdida ofrecen alta saturación y alta eficiencia [34, 35]. Sun y col. presentó una especie de color estructural totalmente dieléctrico generado por las resonancias eléctricas y magnéticas en TiO ₂ metasuperficies. Sin embargo, los distintos colores solo se pudieron observar cuando la metasuperficie se redujo a alrededor de 1,6 μm [36]. Horie y col. informó sobre un tipo de filtros de color transmisivos basados ​​en nanoagujeros de silicio de sublongitud de onda periódicos que podrían reemplazar los filtros de color convencionales basados ​​en tintes utilizados en las tecnologías de sensores de imagen CMOS con iluminación trasera. Sin embargo, su tamaño de píxel solo se pudo reducir a casi 1 μm y solo tuvo una respuesta insensible a a Rango angular de ± 20 ° [37]. Yang y col. introdujo una especie de filtro de color reflectante basado en cavidades asimétricas de Fabry-Perot, que podía obtener un tamaño de píxel mínimo de 500 nm [38]. Zeng y col. demostró una especie de filtro de color sustractivo plasmónico basado en nanorejillas unidimensionales (1D) modeladas en una sola película de Ag ópticamente delgada, que genera un tamaño de píxel extremadamente pequeño cerca del límite de difracción óptica debido a las interacciones de corto alcance de los polaritones de plasmón de superficie (SPP) ). Sin embargo, fue sensible a la polarización incidente [39]. Kumar y col. presentó un enfoque para la impresión a todo color mediante la codificación de la información del color en nanodiscos de Ag / Au elevados por encima de un retroreflector agujereado. El color así generado se conservó incluso como píxeles individuales de 250 × 250 nm ² , lo que permite la impresión en color a una resolución de ~ 100.000 ppp, cerrándose a la resolución limitada por difracción [40]. Se pueden utilizar pequeñas nanoestructuras semiconductoras aisladas (decenas de nanómetros) para generar los colores de dispersión; sin embargo, no se dispersan lo suficientemente fuerte como para ser vistos claramente en un microscopio de reflexión de campo brillante [41].

Aquí, proponemos una especie de color estructural con matrices de nanoestructura híbrida circular nanoagujero-nanodisco basadas en los polaritones de plasmones superficiales localizados desacoplados (LSPP), obteniendo un tamaño de píxel de color individual de 180 × 180 nm ² , correspondiente a una resolución espacial de ~ 141, 000 ppp. Además, el color estructural así generado revela una amplia gama de colores con un gran ángulo de visión y una fuerte propiedad insensible a la polarización. Se obtiene una paleta de colores ilustrativa cambiando los parámetros geométricos de las nanoestructuras híbridas, incluidos los colores de los componentes primarios de cian, magenta y amarillo (CMY). Los resultados de la simulación demuestran que los colores realizados exhiben una gran característica angular invariante de hasta ± 40 °. Además, la forma circular de las nanoestructuras hace que el color estructural demostrado revele una fuerte independencia de polarización. Además, debido a que los LSPP desacoplados tienen efecto en la modulación del campo de luz, el píxel de color individual se puede generar aunque funcione como un solo elemento, lo que da como resultado el logro de una resolución de límite de subdifracción. Como demostración de prueba de concepto, las nanoestructuras sugeridas imprimen una imagen que contiene letras de colores.

Métodos

Los colores estructurales plasmónicos propuestos son matrices de nanoestructuras híbridas de nanodisco-nanoagujero circular de rejilla cuadrada reflectante sobre sustrato de silicio, como se muestra en la Fig. 1a. La Ag de 25 nm se evaporó directamente sobre los pilares de metacrilato de polimetilo (PMMA) de 120 nm con 1 nm de Cr como capa de adhesión. Aquí, se seleccionó el silicio como sustrato debido a su alta conductividad, que es conveniente para la fabricación de litografía por haz de electrones (EBL). Ag se eligió específicamente como capa metálica debido a su bajo coeficiente de extinción. Además, su formación inherente de una capa delgada de óxido (~ 2-3 nm) (Ag ₂ O) que provocará un ligero cambio en los espectros, pero tiene un pequeño efecto en el rendimiento del color estructural [17].

un Ilustración de las matrices de nanoestructura híbrida circular nanodisco-nanoagujero sobre sustrato de silicio. b Los esquemas del proceso de fabricación de las nanoestructuras diseñadas. c Imágenes SEM de las matrices de nanoestructuras fabricadas con P =200 nm y D =130 nm. El recuadro ofrece una vista ampliada. Las barras de escala son 1 μm (izquierda) y 200 nm (derecha)

La figura 1b muestra los esquemas del proceso de fabricación de las nanoestructuras como se sugiere. En primer lugar, el PMMA resistente al haz de electrones con un espesor de 120 nm se revistió por rotación sobre el sustrato de silicio (Fig. 1b-i). Y luego, las plantillas de nanopilares de PMMA fueron expuestas por el sistema NanoBeam Limited nB5 con un voltaje de aceleración de 100 kV y una corriente de haz de 100 pA. El proceso de revelado se realizó sumergiendo la muestra en solución de metil isobutil cetona (MIBK) a 25 ° C durante 2 min, seguido de enjuague en alcohol isopropílico (IPA) durante 2 min. Finalmente, la muestra se secó con secador bajo una corriente constante de N ₂ (Figura 1b-ii). Y luego, se depositó una capa de adhesión de Cr (1 nm) y una película de Ag (25 nm) mediante un sistema evaporador de haz de electrones (Fig. 1b-iii). La Figura 1c muestra las imágenes SEM de la matriz de estructura híbrida circular nanodisco-nanoagujero finalmente lograda.

Resultados y discusión

Amplia gama de colores

La Figura 2a muestra una paleta de colores reflejados experimentalmente obtenidos al cambiar el diámetro D y punto P de las matrices de nanoestructuras. Las posiciones correspondientes de estos colores se trazan en el espacio de color CIE 1931, como se muestra en la Fig. 2b, que confirma la capacidad para lograr los colores CMY principales que van desde el cian al magenta al amarillo. A continuación, se caracteriza la reflectividad utilizando el espectrómetro NOVA-EX establecido en el sistema microscópico (Olympus-BX53) con una longitud de onda de iluminación que va de 400 a 800 nm. Las señales de reflexión se recogen mediante una lente de objetivo (MPlanFL N, NA =0,9, 100 ×). La Figura 2c presenta los espectros reflectantes experimentales de las muestras, el corrimiento al rojo de los valles como D varía de 70 a 110 nm. Además, para las mismas estructuras, los espectros reflectantes simulados obtenidos por el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) que se muestra en la Fig.2d están en concordancia cualitativa con los resultados experimentales correspondientes, donde los valles se desplazan al rojo con el aumento de D . Sin embargo, todavía existe una pequeña diferencia debido a las desviaciones de forma y tamaño de la nanofabricación, y los índices de refracción, así como los espesores en el experimento, podrían ser ligeramente diferentes de los utilizados en la simulación. Los mapas de contorno de los espectros reflectantes experimentales trazados en la Fig. 2e, f demuestran que el impacto del período P en la modulación espectral es bastante pequeño, mientras que el diámetro D juega un papel dominante para el control espectral, que es diferente de la situación donde el período es el factor principal reportado en otras literaturas comunes [19,20,21, 33, 36, 37]. Y esta propiedad permite definir colores con una única nanoestructura.

un Paleta de colores grabada de los colores sustractivos reflectantes como funciones del período P (variando de 150 a 240 nm en un incremento de 10 nm) y diámetro D (variando de 70 a 140 nm en un incremento de 10 nm). Cada cuadrado de paleta tiene un tamaño de 8 × 8 μm ² , y toda la matriz está iluminada por una luz blanca no polarizada. b Diagrama de cromaticidad CIE1931 superpuesto con los puntos negros correspondientes a los colores extraídos de a . Experimental ( c ) y simulado ( d ) espectros reflectantes de las matrices de nanoestructuras con diferentes parámetros geométricos. Por ejemplo, "70–240" significa D =70 nm, P =240 nm. e Mapa de contorno de los espectros reflectantes experimentales en función de la longitud de onda incidente y el período. El período P cambia de 180 a 240 nm, manteniendo D =100 nm como constante. f Mapa de contorno de reflexión experimental para matrices de nanoestructuras con diferentes diámetros que cambian de 70 a 140 nm en un período constante de 230 nm. Los asteriscos blancos representan las posiciones de los valles ( λ _min ), y las líneas punteadas blancas se refieren a las líneas rectas ajustadas con los valles correspondientes

Mecanismo físico

Se sabe que las propiedades ópticas de las nanoestructuras periódicas dependen en gran medida de la distancia entre las nanoestructuras, especialmente cuando la distancia es relativamente pequeña. Esto se debe a que el efecto de acoplamiento asociado con la hibridación del dipolo o plasmones multipolares superiores entre nanoestructuras conduce a variaciones en la energía colectiva del plasmón [26, 42, 43]. Sin embargo, el efecto de acoplamiento limita el tamaño del píxel y, a veces, provoca un cambio de pico resonante o división de pico no despreciables, lo que conduce a una generación de color inesperada [17]. Debido a la corta distancia de propagación de los polaritones de plasmón de superficie de corto alcance (SRSPP) y la pequeña longitud de desintegración de los LSPP, a medida que aumenta la separación, el efecto de acoplamiento se debilita y las interacciones entre nanoestructuras vecinas se vuelven insignificantes [23]. Por lo tanto, para evitar el efecto de acoplamiento y lograr un tipo de color estructural alcanzado hasta la resolución del límite de sub-difracción, el espacio entre las nanopartículas debe ser lo suficientemente grande y el tamaño de la celda unitaria debe ser menor que el tamaño limitado por difracción. .

Para analizar el mecanismo físico subyacente del efecto de filtrado de color, se han analizado las matrices de nanoestructuras con distancias entre partículas grandes y pequeñas mediante el método FDTD. La Figura 3 presenta el campo eléctrico simulado ( | E | ² ) resultados de distribución en valles reflectantes y longitud de onda incidente larga de 600 nm, respectivamente. Para la estructura con una gran distancia entre partículas, no importa en longitud de onda incidente corta (Fig. 3a) o larga (Fig. 3b), las distribuciones de intensidad de campo eléctrico fuerte están ambas simplemente confinadas en los bordes de los nanodiscos y nanoagujeros, lo que demuestra que casi no existen LSPP de acoplamiento. En comparación, para la estructura con una pequeña distancia entre partículas, como se muestra en la Fig. 3c, la intensidad del campo eléctrico confinado en la interfaz Ag / Aire demuestra que existe el efecto de acoplamiento SRSPPs a una corta longitud de onda incidente. Y en la Fig. 3d, la intensidad del campo eléctrico limitada en el espacio entre los nanodiscos ilustra que hay un fuerte efecto de acoplamiento de los LSPP a una longitud de onda incidente larga. Por lo tanto, cuando la distancia es pequeña, tanto los LSPP como el efecto de acoplamiento de SRSPP se encargan de la modulación del campo de luz, mientras que para la estructura con una distancia mayor, casi no hay efecto de acoplamiento.

Distribución del campo eléctrico (| E | ² ) en XZ plano de la estructura con a , b D =80 nm, P =180 nm y c , d D =160 nm, P =180 nm. un , c Iluminado en los valles de reflexión. b , d Ambos iluminados a la longitud de onda incidente larga de 600 nm. Las líneas punteadas blancas son los límites de la capa Ag

En nuestro diseño, la distancia entre partículas es lo suficientemente grande para evitar el efecto de acoplamiento, por lo que los colores observados en la Fig. 2a están modulados principalmente por los modos LSPP desacoplados. La propiedad del modo LSPP es relevante para la forma y el tamaño de las nanopartículas [44,45,46]; por lo tanto, la longitud de onda resonante de la estructura diseñada está controlada principalmente por los diámetros de la nanoestructura (mostrada en la Fig. 2f). Y debido a los efectos de desacoplamiento, los valles reflectantes permanecen casi sin cambios a medida que aumenta el período, lo que corresponde a los resultados experimentales que se muestran en la Fig. 2e.

Independencia de polarización y gran ángulo de visión

Tanto la independencia de polarización como un gran ángulo de visión son necesarios para el filtro de color en aplicaciones de detección de imágenes. Teniendo en cuenta que la forma circular de la nanoestructura es simétrica a lo largo de la x y y direcciones, se puede concluir que el color estructural propuesto es independiente de la polarización. Para investigar el efecto del ángulo de visión, se han analizado los espectros reflectantes bajo varios ángulos de luz incidente mediante el método FDTD. El modelo de simulación se construye sobre la base del diagrama esquemático que se muestra en la Fig. 1a. Y se utiliza la técnica de fuente de ángulo fijo de banda ancha (BFAST). Los índices de refracción complejos del material para las simulaciones se basan en los datos de Palik en la biblioteca de materiales del software. Los resultados simulados para p -polarización y s -polarización que se muestra en la Fig. 4a, b ilustran que los espectros reflectantes casi se mantienen invariantes con el ángulo de incidencia hasta ± 40 °, lo que demuestra un gran ángulo de visión.

Mapa de contorno de los espectros de reflectancia simulados con resolución de ángulo para la estructura con P =180 millas náuticas, D =80 nm bajo a p -polarizado y b s -iluminación polarizada

Resolución súper alta

Debido a los LSPP desacoplados, nuestro diseño ofrece una especie de color estructural de alta resolución espacial con un tamaño de píxel en el límite de subdifracción óptica. Para verificar el logro de una resolución súper alta, se fabrica un conjunto de estructuras de prueba de resolución. Los patrones a cuadros que consisten en nanoestructuras con matrices de 5 × 5, 5 × 4,…, 2 × 1, 1 × 1 con un tamaño de P =180 nm y D =80 nm se muestran en la Fig. 5a (una imagen óptica de microscopio de campo brillante (izquierda) y una imagen SEM (derecha)). Como era de esperar, en la Fig. 5a-i, las matrices con solo una nanoestructura todavía pueden generar el color magenta, aunque sea un solo píxel sin periodicidad. El píxel magenta individual con un área de celda unitaria de 180 × 180 nm ² demuestra que esta estructura podría formar un píxel de color en una cuadrícula de paso de 180 nm y alcanzar una resolución súper alta de ∼ 141,000 ppp.

un Patrón de prueba de resolución de impresión en color. b Impresión en color de sublongitud de onda de “Naturaleza” y “Ciencia” con un tamaño de 6 μm × 9 μm. Las barras de escala son a -i 1 μm, a -ii 500 nm, b -i 200 nm, b -ii 1 μm y b -iii 500 nm

Los píxeles de color diseñados para aplicaciones de impresión de sublongitud de onda se demuestran mostrando letras microscópicas de colores con resolución de píxel de límite de subdifracción. Imprimimos las letras de “Naturaleza, Ciencia” con los colores estructurales correspondientes, como se muestra en la Fig. 5b-ii. La Figura 5b-i, b-iii muestra las imágenes SEM de las regiones descritas en la Figura 5b-ii. En la Fig. 5b-ii, el punto superior de la letra "i" puede ser claramente visible, lo que demuestra una vez más que incluso una única nanoestructura puede actuar como elemento de color. Esta característica da lugar a una resolución de impresión a nivel de nanoestructura única, que podría proporcionar una resolución espacial extremadamente alta para aplicaciones en el almacenamiento de datos ópticos de alta densidad e imágenes a microescala con fines de seguridad.

Conclusiones

En conclusión, se introduce el color estructural a resolución espacial de límite de subdifracción óptica generado por las matrices de estructura híbrida circular nanoagujero-nanodisco, que exhibe una amplia gama de colores, un gran ángulo de visión y una fuerte independencia de polarización. Debido a que los LSPP desacoplados entran en vigor, los tamaños de píxeles de color pueden llegar a 180 × 180 nm ² , exhibiendo una alta resolución de hasta ~ 141,000 ppp. Y simplemente cambiando los parámetros geométricos de la nanoestructura, el color estructural demostrado puede abarcar todo el sistema de color CMY. Además, los resultados de la simulación demuestran que el color estructural presenta una alta tolerancia angular de hasta ± 40 °. Además, esta estructura tiene la ventaja de la generación de color individual en un píxel de límite de subdifracción. Como demostración de prueba de concepto, se ha adquirido una imagen de letra colorida con esta estructura. El color estructural plasmónico propuesto así generado tiene el potencial de aplicaciones en filtros de color a nanoescala para satisfacer la demanda de imágenes de súper alta resolución, y podría usarse con fines de seguridad y almacenamiento de datos ópticos de alta densidad.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo se incluyen dentro del artículo.

Abreviaturas

BFAST:

Técnica de fuente de ángulo fijo de banda ancha

CMY:

Cian, magenta, amarillo

dpi:

Puntos por pulgada

EBL:

Litografía por haz de electrones

EOT:

Transmisión óptica extraordinaria

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

IPA:

Alcohol isopropílico

LSPP:

Polaritones de plasmones superficiales localizados

MIBK:

Metil isobutil cetona

PMMA:

Polimetacrilato de metilo

SCF:

Filtros de color estructurales

SPP:

Polaritones de plasmón de superficie

SRSPP:

Polaritones de plasmón de superficie de corto alcance

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