Широкий цветовой охват и независимый от поляризации структурный цвет при оптическом субдифракционном пространственном разрешении на основе несвязанных LSPP

Введение

Цифровые датчики изображения, которые широко использовались для фотографии, видеоизображения и машинного зрения, постепенно развиваются в направлении миниатюризации и высокого разрешения. Это ставит перед обычными оптическими элементами, такими как цветные фильтры, большую проблему для улучшения пространственного разрешения [1]. В 2015 году был продемонстрирован цифровой датчик изображения сверхвысокого разрешения с размером блока формирования изображения 50 нм с помощью вертикальных массивов наностержней [2], в то время как размер блока традиционного цветного фильтра, в основном изготовленного из органических полимеров красителей или химических пигментов, составлял несколько микрометров. Таким образом, один блок цветного фильтра будет охватывать несколько блоков формирования изображения и приведет к потере разрешения изображения, которое не сможет удовлетворить потребность в формировании изображений с высоким разрешением в будущем [3].

В последнее время цветовая фильтрация на основе структурных цветов представляет собой альтернативный метод пространственного управления светом [4,5,6]. Структурный цвет в основном основан на взаимодействии между светом и различными наноструктурами, а не материалами, поэтому он способен генерировать пиксели гораздо меньшего размера, чем пиксели, достигаемые сегодня в датчиках изображения [7,8,9,10,11]. Классический предел дифракции Аббе гласит, что минимальное разрешаемое расстояние между двумя близко расположенными объектами в лучшем случае составляет половину длины волны, используемой для визуализации в видимом свете [12]. С момента открытия явления экстраординарного оптического пропускания (EOT) в 1998 году [13], плазмонные эффекты широко использовались для разработки структурных цветовых фильтров (SCF), предоставляя возможность цветному фильтру реализовать пространственное разрешение, достигающее субдифракционного предела. [14,15,16,17]. В настоящее время сообщается о многих видах SCF с различными плазмонными наноструктурами [18], такими как периодические субволновые массивы нанодисков [19,20,21], плазмонные нанодиски [22,23,24], гибридные структуры нанодисков и нанодисков [ 25,26,27,28] и субволновые металлические решетки [29,30,31,32]. При использовании SCF в датчиках изображения малый размер пикселя, широкая цветовая гамма, большой угол обзора и независимость от поляризации являются основными проблемами, которые необходимо решить. Burgos et al. продемонстрировали разновидность плазмонных СКФ на основе периодических металлических массивов субволновых дырок. Цвета задавались периодичностью плазмонных строительных блоков из-за эффекта связи, в результате чего получались пиксели микрометрового размера [33]. Структурные цвета, генерируемые полностью диэлектрическими метаповерхностями с высоким показателем преломления и низкими потерями, обеспечивают высокую насыщенность и высокую эффективность [34, 35]. Sun et al. представляет собой своего рода полностью диэлектрическую структурную окраску, создаваемую электрическим и магнитным резонансами в TiO ₂ метаповерхности. Однако отчетливые цвета можно было наблюдать только тогда, когда метаповерхность была уменьшена примерно до 1,6 мкм [36]. Horie et al. сообщили о разновидностях пропускающих цветных фильтров, основанных на периодических субволновых кремниевых наноотверстиях, которые могут заменить обычные цветные фильтры на основе красителя, используемые в технологиях КМОП-сенсоров с задней подсветкой. Тем не менее, размер его пикселя можно было уменьшить только почти до 1 мкм, и он не реагировал только на a Угловой диапазон ± 20 ° [37]. Ян и др. представил своего рода отражающий цветной фильтр на основе асимметричных полостей Фабри-Перо, который мог получить минимальный размер пикселя 500 нм [38]. Zeng et al. продемонстрировал своего рода плазмонный субтрактивный цветной фильтр, основанный на одномерных (1D) нанорешетках, сформированных в одной оптически тонкой пленке Ag, генерирующий чрезвычайно малый размер пикселя, близкий к оптическому дифракционному пределу, из-за короткодействующих взаимодействий поверхностных плазмонных поляритонов (SPPs). ). Однако он был чувствителен к падающей поляризации [39]. Kumar et al. представили подход к полноцветной печати путем кодирования информации о цвете на нанодисках Ag / Au, поднятых над дырявым обратным отражателем. Созданный таким образом цвет сохранялся даже в виде отдельных пикселей 250 × 250 нм ² , позволяя цветную печать с разрешением ~ 100 000 dpi, что близко к разрешению, ограниченному дифракцией [40]. Небольшие (десятки нанометров) изолированные полупроводниковые наноструктуры могут быть использованы для генерации цветов рассеяния; однако они не рассеиваются достаточно сильно, чтобы их можно было хорошо рассмотреть в светлопольном отражательном микроскопе [41].

Здесь мы предлагаем своего рода структурный цвет с круговыми массивами гибридных наноструктур наноразмеров-нанодисков на основе несвязанных локализованных поверхностных плазмон-поляритонов (LSPP), с получением индивидуального цветного пикселя размером 180 × 180 нм ² , что соответствует пространственному разрешению ~ 141 000 dpi. Кроме того, создаваемый таким образом структурный цвет демонстрирует широкую цветовую гамму с большим углом обзора и сильной поляризационной нечувствительностью. Иллюстративная цветовая палитра получается путем изменения геометрических параметров гибридных наноструктур, включая основные цвета компонентов:голубой, пурпурный и желтый (CMY). Результаты моделирования демонстрируют, что реализованные цвета демонстрируют большую угловую инвариантность до ± 40 °. Более того, круглая форма наноструктур заставляет продемонстрированный структурный цвет проявлять сильную поляризационную независимость. Кроме того, из-за того, что несвязанные LSPP действуют в модуляции светового поля, отдельный цветной пиксель может быть сгенерирован, даже если он работает как один элемент, что приводит к достижению разрешения субдифракционного предела. В качестве демонстрации концепции предлагается изображение, содержащее разноцветные буквы, напечатанное с помощью предложенных наноструктур.

Методы

Предлагаемые плазмонные структурные цвета представляют собой массивы отражающих круглых нанодисков-наноотверстий с квадратной решеткой гибридных наноструктур на кремниевой подложке, как показано на рис. 1а. 25 нм Ag напыляли непосредственно на столбики из полиметилметакрилата (ПММА) размером 120 нм с 1 нм Cr в качестве адгезионного слоя. Здесь кремний был выбран в качестве подложки из-за его высокой проводимости, которая удобна для изготовления электронно-лучевой литографии (ЭЛС). В качестве металлического слоя был специально выбран Ag из-за его низкого коэффициента экстинкции. Кроме того, присущее ему образование тонкого (~ 2–3 нм) оксидного слоя (Ag ₂ O), что вызовет небольшой сдвиг в спектрах, но мало повлияет на структурные цветовые характеристики [17].

а Иллюстрация массивов кольцевых гибридных наноструктур нанодиск-наноотверстие на кремниевой подложке. б Схема процесса изготовления разработанных наноструктур. c СЭМ-изображения изготовленных массивов наноструктур с P =200 нм и D =130 нм. На вставке - увеличенный вид. Масштабные линейки:1 мкм (слева) и 200 нм (справа)

На рисунке 1b показана схема процесса изготовления предлагаемых наноструктур. Сначала электронно-лучевой резист PMMA толщиной 120 нм был нанесен методом центрифугирования на кремниевую подложку (рис. 1b-i). Затем шаблоны наностолбиков ПММА экспонировались системой NanoBeam Limited nB5 с ускоряющим напряжением 100 кВ и током пучка 100 пА. Процесс проявления осуществлялся путем погружения образца в раствор метилизобутилкетона (МИБК) при 25 ° C на 2 мин с последующей промывкой в ​​изопропиловом спирте (IPA) в течение 2 мин. Наконец, образец сушили раздувом под постоянным потоком N ₂ . (Рис. 1b-ii). Затем адгезионный слой Cr (1 нм) и пленка Ag (25 нм) были нанесены с помощью испарителя с электронным пучком (рис. 1b-iii). На рис. 1с показаны СЭМ-изображения окончательно полученного массива гибридных структур круглых нанодисков и наноотверстий.

Результаты и обсуждение

Широкая цветовая гамма

На рис. 2а представлена ​​палитра экспериментально отраженных цветов, полученных путем изменения диаметра D . и период P массивов наноструктур. Соответствующие положения этих цветов нанесены в цветовое пространство CIE 1931, как показано на рис. 2b, что подтверждает возможность получения основных цветов CMY в диапазоне от голубого до пурпурного и желтого. Затем отражательную способность определяют с помощью спектрометра NOVA-EX, установленного на микроскопической системе (Olympus-BX53), с длиной волны освещения в диапазоне от 400 до 800 нм. Сигналы отражения собираются линзой объектива (MPlanFL N, NA =0,9, 100 ×). На рисунке 2c представлены экспериментальные спектры отражения образцов, красное смещение долин обозначено как D . варьируется от 70 до 110 нм. Более того, для тех же структур смоделированные спектры отражения, полученные методом конечных разностей во временной области (FDTD), показанные на рис. 2d, качественно согласуются с соответствующими экспериментальными результатами, где красное смещение впадин с увеличением D . Тем не менее, все еще существует небольшая разница из-за отклонений формы и размера от нанотехнологий, а показатели преломления, а также толщина в эксперименте могут немного отличаться от тех, которые использовались в моделировании. Контурные карты экспериментальных спектров отражения, представленные на рис. 2e, f, демонстрируют, что влияние периода P по спектральной модуляции довольно мал, а диаметр D играет доминирующую роль для спектрального контроля, что отличается от ситуации, когда период является основным фактором, описанным в других распространенных литературных источниках [19, 20, 21, 33, 36, 37]. И это свойство позволяет определять цвета только с помощью одной единственной наноструктуры.

а Записанная цветовая палитра отражающих субтрактивных цветов как функции периода P (от 150 до 240 нм с шагом 10 нм) и диаметром D (от 70 до 140 нм с шагом 10 нм). Каждый квадрат палитры имеет размер 8 × 8 мкм ² , и весь массив освещен неполяризованным белым светом. б Диаграмма цветности CIE1931 с наложением черных точек, соответствующих цветам, извлеченным из a . Экспериментальный ( c ) и смоделированные ( d ) спектры отражения массивов наноструктур с различными геометрическими параметрами. Например, «70–240» означает D =70 нм, P =240 нм. е Контурная карта экспериментальных спектров отражения в зависимости от длины и периода падающей волны. Период P изменяется от 180 до 240 нм при сохранении D =100 нм как постоянная величина. е Экспериментальная контурная карта отражения для массивов наноструктур различного диаметра, изменяющихся от 70 до 140 нм с постоянным периодом 230 нм. Белые звездочки обозначают положение долин ( λ _мин ), а белые пунктирные линии относятся к подобранным прямым линиям с соответствующими впадинами

Физический механизм

Известно, что оптические свойства периодических наноструктур во многом зависят от расстояния между наноструктурами, особенно когда расстояние относительно невелико. Это связано с тем, что эффект связи, связанный с гибридизацией дипольных или более высоких мультиполярных плазмонов между наноструктурами, приводит к изменениям коллективной энергии плазмонов [26, 42, 43]. Однако эффект связи ограничивает размер пикселя и иногда вызывает заметный резонансный сдвиг пика или расщепление пика, что приводит к неожиданной генерации цвета [17]. Из-за короткого расстояния распространения короткодействующих поверхностных плазмон-поляритонов (SRSPP) и малой длины распада LSPP по мере увеличения расстояния эффект связи становится слабее, и взаимодействия между соседними наноструктурами становятся незначительными [23]. Следовательно, чтобы избежать эффекта связывания и достичь своего рода структурного цвета, достигаемого до разрешения субдифракционного предела, пространство между наночастицами должно быть достаточно большим, а размер элементарной ячейки должен быть меньше, чем размер, ограниченный дифракцией. .

Чтобы проанализировать физический механизм, лежащий в основе эффекта цветовой фильтрации, массивы наноструктур с большими и малыми расстояниями между частицами были проанализированы с помощью метода FDTD. На рисунке 3 представлено смоделированное электрическое поле ( | E | ² ) результаты распределения в отражающих впадинах и длинной падающей длине волны 600 нм соответственно. Для структуры с большим расстоянием между частицами, независимо от того, на короткой (рис. 3а) или длинной (рис. 3b) длине падающей волны, сильные распределения напряженности электрического поля ограничиваются как краями нанодисков, так и наноотверстиями, демонстрируя, что почти не существует связанных LSPP. Для сравнения, для структуры с малым расстоянием между частицами, как показано на рис. 3c, напряженность электрического поля, ограниченного на границе раздела Ag / Air, демонстрирует, что существует эффект связи SRSPP на короткой падающей длине волны. На рис. 3d напряженность электрического поля, ограниченная в зазоре между нанодисками, показывает, что существует сильный эффект связи LSPP на большой длине падающей волны. Поэтому, когда расстояние небольшое, и LSPP, и SRSPPs эффект связи отвечают за модуляцию светового поля, в то время как для структуры с большим расстоянием эффект связи почти отсутствует.

Распределение электрического поля (| E | ² ) в XZ плоскость для конструкции с a , b Д =80 нм, P =180 нм, и c , d Д =160 нм, P =180 нм. а , c Освещается в долинах отражений. б , d Оба были освещены длинной падающей волной 600 нм. Белые пунктирные линии - границы слоя Ag

В нашей конструкции расстояние между частицами достаточно велико, чтобы избежать эффекта связи, поэтому наблюдаемые цвета на рис. 2а в основном модулируются несвязанными модами LSPP. Свойство режима LSPP имеет отношение к форме и размеру наночастиц [44,45,46]; таким образом, резонансная длина волны спроектированной структуры в основном определяется диаметром наноструктуры (показанной на рис. 2f). А из-за эффектов разобщения отражающие впадины остаются почти неизменными по мере увеличения периода, что соответствует экспериментальным результатам, показанным на рис. 2e.

Независимость от поляризации и большой угол обзора

Как поляризационная независимость, так и большой угол обзора необходимы для цветного фильтра в приложениях считывания изображений. Принимая во внимание круглую форму наноструктуры, симметрична по оси x и y направлений, можно сделать вывод, что предлагаемый структурный цвет не зависит от поляризации. Чтобы исследовать влияние угла обзора, спектры отражения при различных углах падающего света были проанализированы методом FDTD. Имитационная модель построена на основе принципиальной схемы, представленной на рис. 1а. И используется метод широкополосного источника с фиксированным углом (BFAST). Комплексные показатели преломления материала для моделирования основаны на данных от Palik в библиотеке материалов программного обеспечения. Результаты моделирования для обоих p -поляризация и s -поляризации, показанные на рис. 4a, b, показывают, что спектры отражения практически не изменяются с углом падения до ± 40 °, демонстрируя большой угол обзора.

Контурная карта смоделированных спектров отражения с угловым разрешением для структуры с P =180 нм, D =80 морских миль под a p -поляризованный и b s -поляризованное освещение

Сверхвысокое разрешение

Благодаря несвязанным LSPP, наша конструкция предлагает своего рода структурный цвет с высоким пространственным разрешением с размером пикселя на оптическом пределе субдифракции. Для проверки достижения сверхвысокого разрешения изготавливается набор тестовых структур разрешения. Клетчатые узоры, состоящие из наноструктур с массивами 5 × 5, 5 × 4,…, 2 × 1, 1 × 1 размером P =180 нм и D =80 нм показаны на рис. 5а (оптическое изображение, полученное с помощью светлопольного микроскопа (слева) и изображение, полученное с помощью СЭМ (справа)). Как и ожидалось, на рис. 5a-i массивы только с одной наноструктурой могут по-прежнему генерировать пурпурный цвет, даже если это один пиксель без периодичности. Отдельный пурпурный пиксель с площадью элементарной ячейки 180 × 180 нм ² демонстрирует, что эта структура может формировать цветной пиксель на сетке с шагом 180 нм и достигать сверхвысокого разрешения ~ 141 000 точек на дюйм.

а Тестовый образец разрешения цветной печати. б Субволновая цветная печать «Природа» и «Наука» размером 6 мкм × 9 мкм. Масштабные линейки: a -i 1 мкм, a -ii 500 нм, b -i 200 нм, b -ii 1 мкм и b -iii 500 нм

Цветные пиксели, разработанные для приложений субволновой печати, демонстрируются отображением микроскопических разноцветных букв с разрешением пикселей с субдифракционным пределом. Мы напечатали буквы «Природа, наука» соответствующими структурными цветами, как показано на рис. 5b-ii. На рис. 5b-i, b-iii показаны СЭМ-изображения областей, обозначенных на рис. 5b-ii. На рис. 5b-ii верхняя точка буквы «i» может быть четко видна, что еще раз доказывает, что даже одиночная наноструктура может действовать как цветовой элемент. Эта функция увеличивает разрешение печати на уровне одной наноструктуры, что может обеспечить чрезвычайно высокое пространственное разрешение для приложений в области оптического хранения данных высокой плотности и микромасштабных изображений в целях безопасности.