Широка палета боја контролирана поларизацијом на основу ултратанке једнодимензионалне резонантне решетке | научни извештаји

Широка палета боја контролирана поларизацијом на основу ултратанке једнодимензионалне резонантне решетке | научни извештаји

Anonim

Субјекти

  • Приказује
  • Наносцале уређаји
  • Оптичка физика

Апстрактан

Предложени су и демонстрирани високо ефикасни поларизациони структурни филтери у боји, који се заснивају на једнодимензионалној резонантној алуминијској решетки интегрисаној у валовод силицијум нитрида и показују широку палету боја. За такву металну решетку, трансмисивно филтрирање боја је изводљиво само за појављујућу попречну магнетну (ТМ) поларизацију због великог рефлексије у вези са попречно-електричним (ТЕ) случајем; међутим, прилагођене боје прилагођене поларизацији могу се ефикасно постићи оптимизацијом структурних параметара попут радног односа металне решетке. За произведене филтере у боји, врхови преноса, приписани резонанци између упадне светлости и вођених режима који су подржани диелектричним таласом, пружају ефикасност и до 90% и 70% за ТМ и ТЕ поларизације, респективно, како треба. Кроз прилагођавање поларизације, група филтера са различитим периодима решетка успешно се користи за производњу широке палете боја која покрива цео видљиви опсег. И на крају, абецедни узорак који садржи флексибилну комбинацију боја је практично конструисан помоћу распореда хоризонталних и вертикалних решетки.

Увод

Наноструктурни филтери у боји се сматрају угледном алтернативом конвенционалним бојама на бази пигмента због својих видљивих предности у погледу компактности, спектралног прилагођавања, пријатности за животну средину, компатибилности са комплементарним процесом метал-оксид-полуводич (ЦМОС), и мултифункционалност 1, 2, 3, 4 . За такве филтере, широка карактеристика подешавања боја је свакако пожељна за њихову примену у системима тродимензионалног пројекције, ултрабрзим екранима, безбедносним ознакама, поларизацијским детекторима и активним пикселима у боји 5, 6, 7 . Уређаји који се ослањају на ефекат вођене моде (ГМР) су посебно атрактивни због свог једноставног дизајна и израде, правилне пропусности, чистоће боје звука, компактне величине и флексибилних карактеристика преноса 7, 8, 9, 10 ; међутим, углавном су ограничени на статички случај у коме је олакшано стварање унапред одређене једносмерне боје. У покушају да се добију адаптивно контролисане спектралне карактеристике, раније су покушани различити шеми који су користили подешавање угла пада или периода решетке, термо- / електрооптички ефекат и механичку контролу положаја уређаја 9, 10, 11, 12, 13 ; међутим, високи погонски напон био је потребан у свим случајевима и штавише, уређаји су морали да буду тачно усклађени, чиме је ограничен њихов опсег подешавања. Филтери у боји који прибегавају ГМР-у у једнодимензионалној (1Д) структури решетки проучени су пре свега да би радили у трансверзално-магнетном (ТМ) режиму због слабог преноса у режиму попречног електричног (ТЕ) 13, 14, 15, 16 ; према томе, за такве уређаје који се заснивају на ГМР-у стварање живих боја и за ТМ и за ТЕ моду је најважнија у трансмисивном режиму, с обзиром да је обојање осетљиво на поларизацију доступно само у рефлективном режиму 17 . За 1Д металну решетку, реализација поларизованог филтера у боји који делује у трансмисивном режиму сматра се значајним изазовом због великог рефлексије у погледу ТЕ поларизације.

У овом раду је предложен и развијен филтер за пропусне боје за који се израђује ултра танка алуминијумска (Ал) структура која дозвољава ГМР да би се обезбедила широка палета боја под контролом поларизације. Радни однос металне решетке је посебно оптимизован да би се постигли појачани резонантни врхови преноса и за ТМ и ТЕ поларизацију истовремено, стварајући живописне прилагођене боје. Рад уређаја је темељно анализиран у смислу реакције преноса и одговарајућих својстава боја, као и еволуције резонантних поља поља. Група различитих филтера у боји и разрађени наноскалијски узорак који је конструисан на одговарајући начин да их комбинују, практично су произведени тако да потврде произвољну обојеност постављену подешавањем поларизације и периода решетка. Предвиђа се да се предложени уређаји могу лако применити на апликације као што су ултрабрзи дисплејски уређаји, безбедносне ознаке, спречавање фалсификовања и оптичко складиштење података 5, 18, 19, 20, 21 .

Резултати

Поларизациони селективни спектар преноса предложеног филтера у боји и његов колорни одзив

Предложени филтер боја садржи 1Д Ал решетку дебљине 40 нм (Х г ), која је постављена на језгро силицијум нитрида дебљине 100 нм (Х ц ), као што је приказано на слици 1 (а). Изабрани омјер радне решетке, дефинисан као однос ширине (В) и периода (Λ), износи 0, 5 како би се осигурало да се истовремено могу постићи побољшани пријеноси и за поларизацију ТМ и ТЕ. Поларизација упадне светлости означава се поравнавањем магнетног (Х) поља у односу на Кс смер. Поларизације ТМ и ТЕ односе се на Х-поље које је поравнато дуж Кс- (θ = 0 °) и И-смјера (θ = 90 °), респективно. Предложени уређај претпоставља да има карактеристике филтрирања типа преноса које се ослањају на ГМР ефекат, који пролази између падајућег таласа и непропусних вођених начина таласа који захваћа језгро нитрид силицијум, о чему ће бити касније речи. За специфичне поларизације, пренос резонантне метал-диелектричне структуре изражава се следећим односом 18 :

Image

( а ) Шематска конфигурација предложеног филтера у боји где се појављујућа бела светлост филтрира у различите боје у зависности од поларизације. ( б ) СЕМ слике произведених уређаја са периодима од = 280 нм, 340 нм и 400 нм од врха до дна. Уметци приказују откривене живописне слике у боји за ТМ и ТЕ поларизације, имплицирајући да се излаз боја може пребацивати између љубичасте и зелене, зелене и жуте, жуте и магента.

Слика пуне величине

Image

где је θ поларизацијски угао, λ је таласна дужина светлости слободног простора, а Т 0 и Т 90 су преноси за случајеве ТМ и ТЕ, респективно.

На слици 1 (б) приказани су произведени филтри који се убацују у решетку различитих периода. Уметци приказују микроскопске слике живе боје које су повезане са уређајима, зависно од поларизације која је означена плавом стрелицом. За уређаје са Λ = 280 нм, 340 нм и 400 нм, излаз боја може се пребацити између љубичасте и зелене, зелене и жуте, жуте и магента, управљањем стања поларизације између ТМ и ТЕ.

Спектрални спектери преноса осетљиви на поларизацију приказани су на слици 2 (а) (и) до (иии) за случајеве Λ = 280 нм, 340 нм и 400 нм када се поларизација мења од θ = 0 ° до 90 ° у корацима од 15 °. Проверава се спектар преноса да показује резонантне врхове, претпостављајући ефикасност од приближно 90% и 70% за ТМ и ТЕ поларизацију, респективно. Координате хроматичности ЦИЕ 1931 које одговарају мереним спектрима зависним од поларизације, а које су изведене из стандардних једначина 7, 22, приказане су на слици 2 (б) (и) до (иии). Распон боја који је доступан од пиксела у односу на одређени период представљен је линијом на дијаграму кроматичности. Симулирани спектар преноса и одговарајући одзив боја, који показују звучне корелације са резултатима мерења приказанима на слици 2 (а, б), приказани су на додатној слици С1.

Image

( а ) Мерени спектар преноса за периоде решетка: (и) 280 нм, (ии) 340 нм и (иии) 400 нм за стање поларизације у распону од θ = 0 ° до 90 °. ( б ) ЦИЕ 1931 дијаграм хроматичности који одговара спектрима.

Слика пуне величине

Истраживање широке палете боја која је резултат поларизацијског преноса спектра

У настојању да се постигне спектрална карактеристика уређаја који покрива цео видљиви спектрални опсег, утицај периода 1Д Ал решетка је ригорозно истраживан у смислу поларизације уз помоћ симулација које се заснивају на временском размаку разлике метода домена (ФДТД). На слици 3 (а) приказани су симулирани и измерени спектар преноса за ТМ и ТЕ поларизације када се период скенира од 260 нм до 420 нм у корацима од 20 нм. Врхови преноса се добијају истовремено за две поларизације, што је означено испрекиданом црном линијом која прати резонантне таласне дужине које крећу од λ = 427 нм до 639 нм за ТМ и од λ = 450 нм до 655 нм за ТЕ у периоду креће се од 260 нм до 420 нм. Слика 3 (б) приказује координате хроматичности ЦИЕ 1931 у одговору на симулиране и измерене спектре преноса. Са слике 3 (б) је видљиво да се низ живих боја може произвести и за поларизацију ТМ и ТЕ. Међутим, чистоћа боје за ТЕ случај је релативно мања од оне за случај ТМ. То се приписује чињеници да спектар преноса за ТЕ поларизацију има виши ниво бочног појаса у поређењу с ТМ случајем, чиме деградира одговарајућу чистоћу боје 7 . Примећено је да се бочни појас ефективно сузбија површинском плазмонском резонанцом и суседном Раилеигх-овом аномалијом за случај ТМ, за разлику од ТЕ случаја 16 . Сваки филтер сталног периода може деловати као независни пиксел који ствара палету боја посредовану поларизацијом. Слика 4 открива слике микроскопа произведеног филтера са режимом преноса, димензија 40 µ × 40 µм, као функцију периода решетки и поларизације, комплетирајући широку палету боја. Слике су распоређене у складу са периодом и поларизацијом, које варирају од 260 нм до 420 нм и од 0 ° до 90 °.

Image

( а ) Симулирани и измерени спектар преноса за ТМ и ТЕ поларизације када се временски период варира од 260 нм до 420 нм; Овде се врхови преноса прате црном испрекиданом линијом. ( б ) Одговарајуће ЦИЕ 1931 координате хроматичности.

Слика пуне величине

Image

За сваки пиксел у боји, са димензијама 40 µ × 40 µм, период решетка се креће од 260 нм до 420 нм, а угао поларизације се подешава од 0 ° до 90 °.

Слика пуне величине

Механизам који је одговоран за резонантне врхове контролисане поларизацијом

У циљу да се разјасни физички механизам који стоји иза поларизационо-селективних преноса, испитивани су магнетни и електрични поља за случај типичног филтера са Λ = 340 нм и радним односом 0, 5. Профили интензитета Х-поља (| Х Кс | 2 ) и Е-поља (| Е Кс | 2 ) су надгледани како би се значајно ојачали у језгру диелектричног таласа за случајеве ТМ и ТЕ, на врховима преноса на λ = 522 нм и 552 нм, како је приказано на слици 5 (а, б). Драстично побољшане расподјеле поља указују на стајаћи талас који се развија као резултат усмјерених модова супротног ширења који су подржани равнинским диелектричним таласом 21 .

Image

( а ) Интензитет магнетног поља (| Х Кс | 2 ) при λ = 522 нм за појаву ТМ и ( б ) интензитет електричног поља (| Е Кс | 2 ) при λ = 552 нм за инциденцију ТЕ.

Слика пуне величине

Такође је разрађена зависност спектралног одговора и одговарајуће обојења уређаја од радног односа, као што је приказано на Додатним сликама С2. Профили блиског поља за радне односе 0, 3 и 0, 7 приказани су на Додатној слици С3. Да би се осигурала већа ефикасност преноса и побољшани спектрални облик за ТЕ и ТМ поларизације, радни однос је преференцијално одређен 0, 5. Такође је испитивана и зависност реакције преноса с обзиром на дебљине Ал решетка и језгра силицијум нитрида. Као што је приказано на Додатној слици С4, за типичан филтер са временом од 340 нм, перформансе су биле битно инвариантне у односу на дебљину металне решетке, осим незнатног помака таласне дужине, док је примећен спектрални црвени помак са повећањем дебљине диелектрика језгра, као што је приказано на Додатној слици С5. С обзиром на добро дефинисан спектрални облик у комбинацији са појачаним одзивом на боје, дебљине металне решетке и диелектричног језгра изабране су за 40 нм, односно за 100 нм.

Карта контуре за симулирани спектар преноса приказана је на слици 6 (а, б) за случајеве ТМ и ТЕ, с обзиром да се период решетка креће од 260 нм до 420 нм. Израчунати ГМР услови за предложени филтер посебно се постављају на контурну мапу. Постало је очигледно да се резултати ГМР-а могу користити за прецизно процењивање локација преносивих врхова који се односе на симулиране спектре. Дисперзијски однос који се односи на диелектрични таласни вод, који је прекривен Ал решетком, а који игра улогу у изводењу ГМР услова, дат је следећом једначбом:

Image

Да би се проценила локација врхова преноса, израчунати ГМР услови као што су означени црним квадратима су постављени на контурну мапу симулираног спектра преноса за: ( а ) поларизације ТМ и ( б ) ТЕ.

Слика пуне величине

Image

где је м број начина рада, Х ц је дебљина језгре, β константа ширења, н х је индекс лома језгре, н ц1 је ефективни индекс горње облоге, укључујући металну решетку и ваздух, н ц2 је ефективни индекс подлоге, а к 0 је таласни број у слободном простору. Начини ТМ и ТЕ су представљени са ρ = 1 и 0, респективно. ГМР је настао када је задовољено подударање фаза између константе ширења β за вођени режим таласа и вектора решетке (Г = 2π / Λ) 4 .

Остварење наноцрвеног узорка који показује флексибилну комбинацију боја посредованих поларизацијом

У настојању да се истакне прилагођена генерација боја предложеног филтера, наноцрвени узорак који се састоји од низа ажурних слова абецедним словима створен је уписивањем вертикалних и хоризонталних резонантних решетки унутар и изван правоугаоних кутија. Узорак је створен одабиром три периода решетки од 300 нм, 360 нм и 420 нм. На слици 7 (а) је приказана СЕМ слика наноцрног узорка величине 20 μм × 60 μм за период од 360 нм, где су три слова, „К, “ В, „и„ У, „као акроним за„ Универзитет КвангВоон “, јасно се виде поред одговарајућих металних решетка. Слике које одговарају осталим периодима приказане су на Додатној слици С6. Микроскопске слике у боји за узорак за различите поларизације, укључујући θ = 0 °, 45 ° и 90 °, приказане су на слици 7 (б). Треба напоменути да се захваљујући поларизацији може добити флексибилна комбинација живих боја, која ће бити централна за апликације попут поларизацијског мултиплексираног оптичког чувања података.

Image

( а ) СЕМ слика наноцрног узорка величине 20 μм × 60 μм која је уписана комбинацијом хоризонталних и вертикалних Ал резонантних решетки са временом од 360 нм. ( б ) Одговарајуће микроскопске слике у режиму преноса за различите периоде Λ = 300 нм, 360 нм и 420 нм, и различите поларизације од θ = 0 °, 45 ° и 90 °.

Слика пуне величине

Дискусија

Израђени су и оцењени високо ефикасни поларизацијски посредовани структурни филтери у боји који користе велика танка Ал решетка у комбинацији са диелектричним таласним валоводом и који обезбеђују ефикасност преноса до 90% и 70% за ТМ и ТЕ поларизацију. Широка палета боја остварена је преко целог видљивог појаса подешавањем периода металне решетке, као и динамичком променом падајуће поларизације. Да би се потврдило приписивање врхова преноса ТМ и ТЕ ГМР-у које покреће ултра танка решетка заједно са диелектричним таласом, оба магнетна и електрична профила интензитета интензивно су истражена заједно са ГМР дисперзијом. Нарочито, абецедни узорак од наночешћа који се формира распоредом хоризонталних и вертикалних решетки довео је до произвољне комбинације боја, што би могло бити пресудна карактеристика за апликације као што је поларизацијско мултиплексирано оптичко чување података. Предложени уређаји ће на крају олакшати појављивање различитих апликација које укључују безбедносне ознаке, уређаје за приказ, сензоре слике, технику биомедицинског снимања и функционалне метасурфаце уређаје.

Методе

Нумеричке симулације

Спектри преноса и профили поља за филтре у боји испитивани су симулацијама заснованим на ФДТД алату (ФДТД Солутионс, Лумерицал, Канада) 23 . Равни талас под нормалном појавом уведен је узимајући у обзир индексе лома силицијум нитрида, Ал и СиО2 24 . Јединствена ћелија која задовољава периодичне граничне услове искориштена је да опонаша периодично уређене Ал нановирес.

Израда уређаја

Предложени филтери у боји дизајнирани су и произведени тако да показују димензије 40 µ × 40 µм. 100-нм филм силицијум нитрид нанесен је на стаклену подлогу коришћењем хемијског таложења испарених плазмом (ПЕЦВД) (Окфорд, Пласмалаб Систем 100). Затим је депониран Ал-филм дебелине 40 нм уз помоћ испаривача електронског снопа (Темесцал БЈД-2000 Е-зрака / систем топлотног испаривача), који је потом обрађен помоћу литографије електронског снопа (РАИТХ 150) за који прихваћен је позитиван отпор ЗЕП520А, а затим је суво јеткање изведено у јетром плазме (Версалине ЛЛ ИЦП систем за јетрење) под гасном мешавином Цл2, БЦл3 и Ар.

Оптичка карактеризација

Комплетан Ал узорак визуелно је оцењен под електронским микроскопом за скенирање емисија високе резолуције (ФЕСЕМ С-4800, Хитацхи). Проверени су спектри преноса ради различитих поларизација покретањем халогене лампе (ХЛ-2000-ФХСА, Оцеан Оптицс) колиматизованог снопа, који је правилно поларизован кроз калцитни кристални поларизатор (ГТХ 10М-А, Тхорлабс), према припремљеном филтер који је монтиран на степену моторизоване ротације помоћу фокусних сочива. Оптички излаз снимљен је спектрометром (Аваспец-3648, Авантес) преко мултимодних влакана. Слике које су повезане са сваким пикселом филтера у боји снимљене су дигиталним микроскопом (Леица ДМ6000 М).

Додатне Информације

Како цитирати овај чланак : Коирала, И. ет ал . Поларизациона широка палета боја заснована на ултра танкој једнодимензионалној резонантној структури решетка. Сци. Реп. 7, 40073; дои: 10.1038 / среп40073 (2017).

Напомена издавача: Спрингер Натуре остаје неутралан с обзиром на тврдње о надлежности у објављеним мапама и институционалној припадности.

Додатне информације

ПДФ датотеке

  1. 1.

    Додатне информације

Коментари

Подношењем коментара пристајете да се придржавате наших Услова и Смерница заједнице. Ако нађете нешто злоупотребно или то није у складу са нашим условима или смерницама, означите то као непримерено.