Структурная фильтрация цвета большой площади с использованием конфигурации нанопористый металл-диэлектрик-металл

Фон

Технологии цветовой фильтрации, использующие субволновые структуры, сыграли жизненно важную роль во множестве увлекательных приложений, таких как пропускающие / отражающие цветные фильтры в устройствах отображения, системы формирования изображений, хроматические поляризаторы, фотоэлектрические элементы и фотореалистичная структурная цветная печать [1,2,3 , 4,5,6,7,8,9,10]. Структурная фильтрация цвета, которая включает в себя традиционные химические фильтры на основе органических красителей / пигментов, успешно устраняет недостатки химических фильтров, включая значительное ухудшение характеристик при длительном ультрафиолетовом освещении и серьезном экологическом стрессе. Кроме того, структурная цветовая фильтрация демонстрирует отличительные особенности гибких свойств спектральной фильтрации и стабильных характеристик. Различные схемы для достижения структурных цветов, особенно те, которые включают использование многослойных тонких пленок [11,12,13,14,15], плазмонных наноструктур с субволновыми решетками или резонансных наноструктур с управляемыми модами [16,17,18, 19,20,21,22] и метаповерхности [23]. Изготовление конфигураций на основе субволновых решеток и метаповерхностей обычно требует сложных процедур, таких как электронно-лучевая (электронно-лучевая) литография и реактивное ионное травление, которые отнимают много времени и имеют высокую стоимость и значительно ограничивают их потенциальные применения в больших масштабах. обстоятельства области. Таким образом, многослойные тонкие пленки, в частности резонатор Фабри – Перо (FP) с диэлектрической полостью, зажатой между двумя металлическими слоями, широко используются в качестве альтернативного метода. Однако для создания полостей различной толщины с целью одновременного создания полных цветов на единой платформе требуется несколько этапов изготовления, что затрудняет их использование на практике.

Для смягчения вышеупомянутых проблем лучшим кандидатом считается нанопористый анодный оксид алюминия (NAA), который является одним из экономически эффективных пористых самособирающихся материалов, состоящих из множества параллельных прямых цилиндрических нанопор, перпендикулярных оптически толстой подложке из алюминия [24, 25]. В настоящее время используется несколько стратегий для создания нескольких структурных цветов на пленках NAA, включая покрытие верхней поверхности и внутренней боковой стенки пленки NAA углеродным или диэлектрическим материалом, таким как TiO ₂ [26,27,28], или нанесение металлических слоев поверх пленки NAA [29,30,31,32]. Асимметричная конфигурация металл-диэлектрик-металл (MDM) с возможностью резонанса FP может быть легко сконструирована путем простого нанесения металлического слоя поверх NAA. При резонансе можно наблюдать сильное подавление отражения, соответствующее определенному цвету отражения. Металлический слой, нанесенный поверх NAA, который состоит из гексагональной решетки пор, может одновременно обеспечивать сильный плазмонный эффект, дополнительно увеличивая поглощение структуры [32, 33]. Путем простой настройки геометрии NAA, такой как толщина и диаметр пор, можно эффективно настроить наблюдаемые цвета. Однако описанные конфигурации NAA с металлическим покрытием, в которых используются благородные металлы, такие как платина и золото, приводят к высокой стоимости устройства [29, 32]. Кроме того, оптические спектры указанных конфигураций демонстрируют низкую эффективность отражения, множественные резонансы в видимом спектральном диапазоне или широкую спектральную полосу пропускания, что приводит к нежелательной низкой чистоте цвета.

В этой работе мы демонстрируем высокоэффективную схему структурной цветовой фильтрации для приложений с большой площадью, используя простую нанопористую структуру на основе пленки NAA, перекрытой тонким слоем алюминия (Al). Яркие отличительные цвета отражения можно легко настроить, просто изменив толщину NAA. Al особенно применяется из-за его выдающихся оптических свойств, в том числе высокой отражательной способности в видимой области, низкой стоимости и совместимости со стандартным дополнительным процессом изготовления металл-оксид-полупроводник [20,21,22]. Индивидуальная роль каждого геометрического параметра предлагаемой конструкции тщательно проверяется с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD). Образцы с различной толщиной NAA были изготовлены на большой площади нелитографическим методом. Оптические характеристики приготовленных образцов были измерены и оценены путем сравнения результатов измерений с результатами моделирования.

Методы / экспериментальные

Разработка предлагаемой схемы цветовой фильтрации большой площади

В этом исследовании мы стремимся разработать высокоэффективную схему цветовой фильтрации для приложений большой площади, используя нанопористую резонансную конфигурацию MDM, способную поддерживать резонанс FP в дополнение к плазмонному эффекту. На рисунке 1а показана схематическая конфигурация предлагаемого устройства цветовой фильтрации на основе структуры MDM, где пленка NAA зажата между оптически толстой подложкой из алюминия и верхним тонким слоем алюминия. Толщина NAA и верхнего слоя Al обозначается как t . ₁ и t ₂ , соответственно. Для изготовления нанопористой структуры пленка NAA представляет собой самоорганизующуюся пористую структуру, которая возникла из алюминиевой пластины с помощью простого процесса анодирования, а не с помощью традиционных подходов, основанных на сложной и дорогостоящей электронно-лучевой литографии. Как показано на рис. 1б, пленка НАА состоит из гексагональной решетки пор диаметром d. Зазор между двумя соседними порами обозначен Ʌ . Когда зазор между двумя порами достаточно мал по сравнению с интересующей длиной волны, нанопористые слои, охватывающие верхнее алюминиевое покрытие и пленку NAA, ведут себя как квазиоднородные среды. Поэтому мы соответствующим образом устанавливаем Ʌ и d до 100 и 65 нм соответственно. Теория эффективной среды обычно используется для выяснения свойств таких нанопористых структур [34, 35].

а Схематическая геометрия предлагаемой структуры на основе пленки NAA с алюминиевым покрытием поверх алюминиевой подложки для фильтрации цвета на большой площади. б Вид сверху на пленку NAA с гексагональной решеткой нанопор

Для асимметричной структуры MDM с FP-резонансом отражение сильно подавляется в резонансе, соответствующем провалу отражения, когда возникает деконструктивная интерференция между прямо отраженным светом на верхней границе раздела воздух-Al и резонансно связанным светом внутри NAA. полость. В отличие от традиционной структуры MDM, основанной на непрерывных слоях [12,13,14], предполагается, что предлагаемая нанопористая структура будет настраивать цвета отражения не только путем изменения толщины диэлектрической полости, но и изменения диаметра пор или зазора [28, 29]. Что еще более важно, благодаря верхнему нанопористому слою алюминия предлагаемая структура способна обеспечивать сильный плазмонный эффект в дополнение к резонансу FP, который может эффективно усиливать поглощение предлагаемой структуры. Предлагаемая структура тщательно разработана и оценена с помощью инструмента, основанного на методе FDTD. Характеристики дисперсии материалов, используемых для моделирования, получены из встроенной модели с несколькими коэффициентами, предоставляемой инструментом. Для простоты область моделирования, обозначенная пунктирным красным прямоугольником на рис. 1b, содержит только единичную структуру, а периодические границы применяются для x и y топоры. По умолчанию для всей области моделирования установлено автоматическое неоднородное уточнение сетки с точностью сетки 3. Такая установка обеспечивает хороший компромисс между точностью и временем моделирования. Источником света служит плоская волна. Мы установили толщину верхнего алюминиевого покрытия равной 15 нм с помощью набора моделирования, чтобы получить почти нулевой провал отражения для получения цветов высокой чистоты. Затем исследуется спектральная перестройка по толщине резонатора NAA, как показано на рис. 2а. Поскольку толщина NAA t ₂ изменяется от 110 до 180 нм, резонансная длина волны слегка смещается в красную область от 465 до 670 нм, покрывая всю видимую спектральную полосу. При дальнейшем увеличении толщины NAA резонансный провал в конечном итоге переходит в ближнюю инфракрасную полосу. Между тем, возникает резонансный провал более высокого порядка с относительно узкой полосой пропускания от ультрафиолетовой полосы до видимой с толщиной NAA в диапазоне от 250 до 320 нм. Следует отметить, что единственный резонансный провал в видимом диапазоне желателен для получения ярких отраженных цветов с высокой чистотой. Чтобы оценить чистоту цвета предложенной структуры, координаты цветности, которые соответствуют спектрам отражения, вычисляются и отображаются на стандартной диаграмме цветности Международной комиссии по освещению (CIE) 1931 года, как показано на рис. 2b. Координаты цветности меняются вдоль черной стрелки по мере увеличения толщины NAA. В частности, круговой след координат цветности с толщиной NAA, увеличивающейся от 110 до 180 нм, указывает на то, что предложенная схема способна достигать ярких полных цветов за счет простой регулировки толщины NAA. На рисунке 3 показаны поляризационно-зависимые спектры отражения предложенной структуры с различной толщиной резонатора t . ₂ =110, 160 и 320 нм. Наблюдается, что те же самые спектры отражения сохраняются с точки зрения резонансной длины волны и эффективности отражения, поскольку угол поляризации падающего света изменяется от 0 ° до 90 °. Следовательно, предполагается, что предлагаемая структура обеспечивает свойство независимости от поляризации, которое приписывается симметричной геометрии предлагаемой структуры.

а Смоделированы спектральные характеристики отражения предложенной структуры цветовой фильтрации с толщиной NAA от 110 до 320 нм. б Соответствующие координаты цветности на диаграмме цветности CIE 1931

Моделирование спектров отражения предложенной структуры относительно падающей поляризации

Изготовление устройств цветовой фильтрации

С целью оценки предложенной схемы цветовой фильтрации мы изготовили три образца с различной толщиной NAA с помощью следующих производственных процессов. Промышленная фольга из алюминия высокой чистоты (99,999%) была сначала обезжирена в ацетоне, а затем промыта изопропиловым спиртом и деионизированной водой без какой-либо другой предварительной обработки перед адонизацией. Подготовленную алюминиевую фольгу разрезали на квадратные кусочки, которые в процессе анодирования поместили в самодельный держатель с эффективной площадью 2 см × 2 см. Емкость для электролита представляла собой прозрачный стакан общим объемом 4 л. В этом эксперименте последовательно реализовывался двухэтапный процесс анодирования. На первом этапе анодирование проводилось путем погружения квадратных кусочков алюминиевой фольги в 0,3 М щавелевую кислоту при постоянном напряжении анодирования 40 В при комнатной температуре в течение 30 мин. После этого анодированные образцы были погружены в смесь 6,0 мас.% H ₃ . ЗП ₄ и 1,8 мас.% H ₂ CrO ₄ при 60 ° C в течение 5 ч для удаления окисленных слоев. На втором этапе анодирование проводилось в тех же экспериментальных условиях, что и на первом этапе. В результате частично анодированные части оригинальных кусочков алюминиевой фольги были преобразованы в пленки NAA с четко определенными прямыми порами. Нежелательный оптически толстый слой оксида алюминия образовался внутри пор наверху лежащей под ним фольги из алюминия из-за окисления алюминия во время второй стадии анодирования. Чтобы полностью удалить нежелательный слой оксида алюминия в поре, анодированные образцы растворяли в 6,0 мас.% H ₃ ЗП ₄ при 60 ° C в течение 10 мин. Наконец, три образца с различной толщиной NAA 110, 160 и 320 нм были приготовлены путем точного контроля времени анодирования. Вид сверху и поперечный разрез изготовленных образцов NAA представлены на рис. 4а, демонстрируя удовлетворительную нанопористую структуру с порами правильной формы и высокой периодичностью. Для подготовленных образцов диаметр поры и зазор между двумя соседними порами были измерены и составили d =65 нм и Ʌ =100 нм соответственно. Затем слой покрытия Al был нанесен поверх приготовленной пленки NAA путем напыления при базовом давлении 6,7 × 10 ⁻⁵ . Па и мощность постоянного тока 2,0 кВт в течение 260 с. Примечательно, что минимальная скорость осаждения 0,5 Å / с была выбрана для обеспечения точности толщины осаждаемого слоя Al. На рис. 4b показан вид сверху изображений, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), изготовленных устройств для фильтрации цвета с тонкими слоями покрытия из алюминия наверху. Толщина осажденных слоев Al составила t . ₁ =16 нм, что близко к проектной толщине.

а Виды сверху и в поперечном разрезе СЭМ-изображений изготовленных пленок NAA различной толщины t ₂ =110, 160 и 320 нм соответственно. б СЭМ-изображения предлагаемой структуры на основе пленки NAA с алюминиевым покрытием, вид сверху

Оптическая характеристика подготовленных устройств цветовой фильтрации

Оптические характеристики каждого подготовленного образца были тщательно оценены в отношении цвета отражения и спектрального отклика. На рис. 5а показаны измеренные цвета отражения при нормальном падении от изготовленных образцов с большими размерами 2 см × 2 см. Наблюдались яркие первичные субтрактивные цвета желтого, голубого и пурпурного, подтверждая, что предложенный подход с цветовой фильтрацией способен воспроизводить полноцветную генерацию с сильно улучшенной чистотой цвета. Для лучшего понимания достигнутой высокой чистоты была реализована индивидуальная экспериментальная установка, включающая галогенную лампу, служащую источником света, светоделитель и спектрометр, для измерения спектров отражения приготовленных образцов. На рис. 5b, c показаны измеренные спектры отражения вместе с смоделированными спектрами отражения в качестве эталонов, где наблюдалась хорошая корреляция между экспериментом и моделированием в отношении резонансной длины волны и формы спектров отражения. Небольшое несоответствие в спектральной полосе пропускания и эффективности отражения можно отнести к несовершенству изготовления с точки зрения конструкции, включая шероховатость границ раздела Al-NAA и непостоянную периодичность и размер пор, которые легко можно увидеть на рис. 4. Также обнаружено, что изготовленные образцы с толщиной NAA 110, 160 и 320 нм имели почти нулевые резонансные провалы, расположенные на длинах волн 484, 614 и 539 нм соответственно, и практически достигли высоких коэффициентов отражения до 73%. Координаты цветности, соответствующие смоделированным и измеренным спектрам, были вычислены и нанесены на диаграмму цветности CIE 1931, как показано на рис. 5d. Подтверждено, что наблюдаемые цвета отражения высокой чистоты, показанные на рис. 5a, выигрывают от достигнутой высокой эффективности отражения и почти нулевого падения отражения.

а Полученные оптические цветные изображения при нормальном падении от изготовленных устройств с различной толщиной NAA t ₂ =110, 160 и 320 нм. б Смоделировано и ( c ) измеряли спектры отражения изготовленных устройств. г Соответствующие координаты цветности на диаграмме цветности CIE 1931 в ответ на смоделированные и измеренные спектры

Результаты и обсуждение

Исследование плазмонного эффекта

Чтобы изучить плазмонный эффект, обеспечиваемый нанопористым слоем Al, мы тщательно исследуем предложенную структуру, заменив полость NAA эквивалентной однородной полостью с эффективным показателем преломления. На основе теории эффективной среды эффективный показатель преломления полости NAA с зазором пор 100 нм и диаметром пор 65 нм получается равным n _eff =~ 1,48, согласно уравнению, выраженному следующим образом:

Здесь показатель преломления оксида алюминия (Al ₂ О ₃ ) равно n _Al2O3 =1,77, а доля воздуха в полости NAA равна \ ({f} _ {\ mathrm {air}} =\ pi {\ left (d / \ Lambda \ right)} ^ 2/2 \ sqrt {3} \). На рисунке 6а показано сравнение спектров отражения между структурами на основе резонатора NAA и однородного резонатора с n _eff 1,48 для разной толщины полости t ₂ =110, 160 и 320 нм. Между этими двумя случаями можно наблюдать хорошую корреляцию, что указывает на то, что предлагаемая структура может быть безопасно эквивалентна структуре на основе однородной полости с эффективным показателем 1,48. Для эквивалентной структуры, основанной на однородной полости, влияние пор в верхнем слое Al на спектр отражения показано на рис. 6b. По сравнению со случаем, когда в верхнем слое алюминия отсутствуют поры, предлагаемая структура, состоящая из верхнего слоя алюминия с диаметром пор d =65 нм может сильно увеличить поглощение при резонансе. Наблюдаемое четкое красное смещение резонансной длины волны можно приписать результату плазмонного эффекта и измененному фазовому сдвигу при отражении в верхнем слое алюминия. Чтобы проверить, приводят ли введенные поры в верхний слой Al к наблюдаемому усилению поглощения за счет плазмонного эффекта, мы отслеживаем электрическое поле (| E |) профили при резонансе в x - z плоскости для двух случаев с наличием и без наличия пор на верхнем слое Al, как показано на рис. 6c. В структуре с непористым слоем Al, несмотря на то, что внутри полости можно наблюдать сильное усиление поля на резонансной длине волны 559 нм из-за резонанса FP, поддерживаемого структурами MDM, часть света все еще отражается. В то время как для структуры с пористым верхним слоем алюминия наблюдается усиление электрического поля не только внутри полости, но также и внутри поры в верхнем слое алюминия за счет плазмонного эффекта на резонансной длине волны 622 нм. В результате свет почти полностью удерживается внутри предлагаемой структуры, что соответствует почти нулевому провалу отражения, показанному на рис. 6b.

а Моделируемые спектры отражения предложенной структуры на основе резонатора NAA и эквивалентной структуры на основе однородного резонатора с эффективным показателем преломления ( n _eff ) для разной толщины полости t ₂ =110, 160 и 320 нм. б Смоделированные спектры отражения структур, включая верхний слой Al без пор и с порами ( d =65 нм)

Влияние окисления Al

Примечательно, что слой оксида алюминия толщиной 0,5–4 нм самопроизвольно формировался на поверхности Al в результате окисления Al на воздухе при комнатной температуре [36, 37]. Слой оксида алюминия, служащий стабильным пассивным слоем, может защитить Al от дальнейшего окисления. Принимая во внимание эту ситуацию, спектры отражения и соответствующие координаты цветности структуры с различной толщиной NAA были проверены, соответственно, как показано на рис. 7. В качестве толщины слоя оксида алюминия на поверхности слоев Al, включая верхний нанопористый слой. Слой Al и нижняя подложка из алюминия, увеличено с t ₀ =От 0 до 4 нм, и спектры отражения сохраняли хорошее согласование с точки зрения резонансной длины волны и эффективности отражения. Более того, координаты цветности указывают на стабильный цветовой выход после окисления Al. В результате окисление Al на воздухе практически не повлияло на оптические характеристики предлагаемой структуры. Для сравнения также оценивалась структура без слоя покрытия из алюминия. Как показано на рис. 8, толщина пленки NAA составляла 160 нм. Наблюдался серый цвет, который является исходным цветом алюминиевой фольги, что дополнительно подтверждает, что предложенная схема цветовой фильтрации позволила значительно улучшить чистоту цвета. Как показывают смоделированные и измеренные спектры отражения структуры без слоя Al наверху, в видимой спектральной полосе не наблюдалось явного явления резонанса, что привело к наблюдаемому цвету отражения низкой чистоты. Примечательно, что внешний вид спектра отражения пленки NAA без слоя покрытия из алюминия был одинаковым независимо от толщины пленки NAA, тогда как спектр отражения пленки NAA, покрытой алюминием, сильно зависел от толщины.

Смоделированные спектры отражения предложенной структуры с учетом сформированного слоя оксида алюминия поверх Al из-за окисления воздухом полостей NAA различной толщины:110, 160 и 320 нм

Захваченное оптическое цветное изображение смоделированных и измеренных спектров отражения эталонной структуры без слоя покрытия из алюминия поверх пленки NAA

Выводы

Таким образом, мы предложили и продемонстрировали привлекательный метод для достижения генерации цвета большой площади с высокой чистотой цвета за счет использования тонкого слоя покрытия из алюминия в сочетании с пленкой NAA поверх оптически толстой подложки из алюминия. Согласно теории эффективной среды, нанопористые слои, принадлежащие к предложенной структуре, включая слой покрытия Al и пленку NAA, ведут себя как квазиоднородные среды с определенными эффективными показателями преломления. В результате предлагаемая структура работает как резонансная структура MDM, которая обеспечивает резонанс FP, где резонансная длина волны, соответствующая цвету отражения, легко настраивается простым изменением толщины NAA. Между тем, воспользовавшись преимуществом верхнего нанопористого слоя Al, мы обнаружили, что предложенная структура поддерживает плазмонный эффект, который может сильно усиливать поглощение, приводя к наблюдаемому провалу почти нулевого отражения. Оптические характеристики предлагаемой структуры в зависимости от ее геометрии были теоретически изучены с использованием инструмента на основе метода FDTD. На основе оптимизированных параметров были изготовлены три образца с различной толщиной НАА на площади 2 см × 2 см. Путем анализа экспериментальных результатов проверяется, что приготовленные образцы демонстрируют яркие цвета отражения с высокой эффективностью отражения примерно до 73%. Предлагаемый подход может не только привести к лучшему пониманию механизма настройки цвета конфигурации на основе NAA-пленки, но также представляет собой важный шаг на пути к реализации экономичных устройств цветовой фильтрации с большой площадью в большом количестве приложений. такие как устройства отображения / формирования изображений, фотоэлектрические элементы и биосенсорные технологии.

Сокращения

| E |:

Электрическое поле

Al:

Алюминий

Al ₂ О ₃ :

Глинозем

CIE:

Международная комиссия по освещению

электронный луч:

Электронный луч

FDTD:

Конечная разность во временной области

FP:

Фабри-Перо

MDM:

Металл-диэлектрик-металл

NAA:

Нанопористый анодный оксид алюминия

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия