Структурные цветовые фильтры за пределами дифракционного предела с несвязанными LSPP: 141 000 dpi, широкий охват и независимость от поляризации

Аннотация

Постоянное уменьшение шага пикселей в современных матрицах опережает возможности традиционных пигментных цветовых фильтров, которые обычно имеют размеры в несколько микрометров и ограничивают пространственное разрешение. Представлен плазмонный структурный цветовой фильтр, использующий гибридную решетку круглых нанодисков и нанодыр, обеспечивающую цветовой отклик отдельного пикселя площадью всего 180×180 нм² — теоретическое разрешение ~141 000 dpi. Ключ к этой производительности — несвязанные локализованные поверхностные плазмонно-поляритоны (LSPP), позволяющие каждой наноструктуре действовать как независимый генератор цвета. Экспериментальные измерения и численные моделирование подтверждают широкий цветовой охват, большой угол обзора и нечувствительность к поляризации падающего света. Эти атрибуты делают подход привлекательным для высокоплотного оптического хранения данных, защищенного микромасштабного изображения и новых наномасштабных оптических фильтров.

Введение

Технологии цифровой визуализации толкают элементы сенсоров до суб-50-нм режима, однако оптические компоненты, преобразующие свет в цвет — в частности, цветовые фильтры — отстают. Традиционные фильтры основаны на органических пигментах и требуют размеров пикселей в несколько микрометров, что неизбежно перекрывает несколько пикселей сенсора и снижает пространственную точность. В 2015 г. продемонстрирован вертикальный массив наностержней с шагом 50 нм, подчеркивающий разрыв между миниатюризацией сенсоров и разрешением фильтров.

Структурный цвет открывает путь к преодолению этого разрыва. В отличие от пигментных систем, структурные цвета возникают при взаимодействии света с наноструктурированными металлическими или диэлектрическими паттернами, позволяя субдлиноволновые размеры пикселей. Феномен необычного оптического прохождения (EOT), открытый в 1998 г., стал инструментом для проектирования плазмонных структурных цветовых фильтров (SCF), приближающихся к дифракционному пределу. За последнее десятилетие предложены различные архитектуры SCF: поддлинноволновые массивы дырок, ансамбли нанодисков, гибридные конфигурации нанодыр-нанодисков, металлические решетки. Однако одновременное достижение малого размера пикселя, широкого цветового охвата, большого угла обзора и независимости от поляризации остается вызовом.

В то время как многие плазмонные SCF опираются на связь между соседними резонаторами — тем самым ограничивая миниатюризацию пикселей — наше решение эксплуатирует несвязанные LSPP в гибридной решетке круглых нанодисков-нанодыр. Эта стратегия дает индивидуальные пиксельные цвета при 180×180 нм², сохраняя широкий охват и угловую устойчивость. Последующие разделы описывают fabricación, оптические характеристики, физику процесса и практическую демонстрацию подхода.

Методы

Плазмонные фильтры представляют собой квадратную решетку гибридов круглых нанодиск-нанодыр на кремниевой подложке (рис. 1a). Слой серебра толщиной 25 нм осаждается непосредственно на столбы из полиметилметакрилата (PMMA) толщиной 120 нм со слоем хрома 1 нм для адгезии. Кремний выбран за высокую проводимость, облегчающую электронно-лучевую литографию (EBL). Серебро выбрано за низкий коэффициент поглощения и наличие тонкого (~2–3 нм) родного оксидного слоя, незначительно сдвигающего резонанс.

a Иллюстрация массива гибридов круглых нанодиск-нанодыр на кремнии. b Блок-схема фабрикации: (i) центрифугирование 120 нм PMMA, (ii) экспозиция EBL 100 кВ, 100 пА, (iii) проявка в MIBK/IPA, (iv) осаждение 1 нм Cr + 25 нм Ag, (v) лифт-офф. c SEM-изображения массивов с периодом P=200 нм и диаметром D=130 нм; вставка — увеличенный вид. Масштаб: 1 мкм (лево) и 200 нм (право).

Детально: PMMA-резист наносится на кремниевый вефер и структурируется высокоточной системой NanoBeam nB5 (100 кВ, 100 пА). После проявки в MIBK и промывки в IPA резиновые столбы отжигают в азоте. Затем термической эвапорацией осаждают 1 нм Cr и 25 нм Ag. Полученные структуры характеризуют SEM для подтверждения размеров и однородности.

Результаты и обсуждение

Широкий цветовой охват

Рис. 2a показывает цветовую палитру, полученную варированием диаметра нанодиска D (70–140 нм) и периода решетки P (150–240 нм). Проекция отраженных цветов на CIE 1931 (рис. 2b) подтверждает покрытие основных цветов CMY (голубой, пурпурный, желтый). Спектры отражения записывались спектрометром NOVA-EX (400–800 нм) и микроскопом Olympus BX53 (NA=0,9, 100×). Экспериментальные спектры (рис. 2c) демонстрируют красносдвиг минимумов с ростом D, что согласуется с FDTD-моделированием (рис. 2d). Небольшие расхождения обусловлены технологическими допусками и параметрами материалов.

Контурные карты (рис. 2e,f) показывают, что период P слабо влияет на спектральные признаки, тогда как диаметр D в основном определяет резонансную длину волны — в контрасте со многими предыдущими SCF, где основным параметром настройки был P. Это поведение позволяет определять цвет единственной наноструктурой, открывая путь к ультракомпактным пикселям.

Физический механизм

В периодических наноструктурах межчастичное сцепление может сдвигать и расщеплять плазмонные резонансы, ограничивая минимальный размер пикселя. Короткая длина распространения короткодействующих поверхностных плазмонно-поляритонов (SRSPP) и затухание LSPP означают, что при разделении >150 нм сцепление пренебрежимо мало. FDTD-моделирование массивов с большим (рис. 3a,b) и малым (рис. 3c,d) межчастичными расстояниями подтверждает это: при большом зазоре поле локализовано на краях дисков и дыр, при малом — сильная локализация в зазорах, свидетельствующая о сцеплении SRSPP и LSPP.

Поскольку наш дизайн намеренно сохраняет большой зазор, наблюдаемый цвет происходит преимущественно от несвязанных LSPP- мод. Резонансная длина волны поэтому управляется диаметром нанодиска, объясняя сильную D-зависимость в эксперименте и нечувствительность к периоду P.

Независимость от поляризации и большой угол обзора

Циклическая симметрия наноструктур гарантирует, что отраженный спектр не зависит от поляризации падающего света. FDTD-моделирование методом BFAST подтверждает, что s- и p-поляризованное излучение дают практически идентичные спектры до углов ±40° (рис. 4a,b), что свидетельствует о широкой угловой толерантности, пригодной для визуализации.

Сверхвысокое разрешение

Для проверки субдифракционного предела изготовлена серия шахматных паттернов с блоками 1–5×1–5 пикселей (P=180 нм, D=80 нм). Даже единственная наноструктура (1×1) дает яркий пурпурный цвет (рис. 5a-i), демонстрируя независимую работу каждого пикселя. Это соответствует теоретическому разрешению ~141 000 dpi, значительно превышающему пределы обычных цветовых фильтров.

a Тестовый паттерн разрешения (SEM справа). b Субдлиноволновая цветная печать «Nature» и «Science» (6×9 мкм). Масштаб: a-i 1 мкм, a-ii 500 нм, b-i 200 нм, b-ii 1 мкм, b-iii 500 нм.

Напечатанные надписи «Nature, Science» демонстрируют способность рендерить мелкие детали на уровне отдельных наноструктур, подчеркивая потенциал для высокоплотного оптического хранения и скрытой микромасштабной визуализации.

Заключение

Продемонстрирован плазмонный структурный цветовой фильтр, работающий при размере пикселя 180×180 нм² (~141 000 dpi), использующий несвязанные LSPP в гибридной решетке круглых нанодиск-нанодыр. Фильтр обеспечивает полный CMY цветовой охват, большой угол обзора (±40°) и независимость от поляризации. Поскольку каждый пиксель — единственный резонатор, дизайн поддерживает истинное субдифракционное разрешение, подтвержденное моделированием и экспериментальной цветной печатью. Подход перспективен для нового поколения наномасштабной визуализации, защищенной микромасштабной графики и высокоплотного оптического хранения данных.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, лежащие в основе выводов статьи, включены в статью.

Сокращения

BFAST:

Broadband Fixed Angle Source Technique

CMY:

Cyan, magenta, yellow (голубой, пурпурный, желтый)

dpi:

Dots per inch (точек на дюйм)

EBL:

Electron-beam lithography (электронно-лучевая литография)

EOT:

Extraordinary optical transmission (необычное оптическое прохождение)

FDTD:

Finite-difference time-domain (метод конечных разностей во временной области)

IPA:

Isopropyl alcohol (изопропиловый спирт)

LSPP:

Localized surface plasmon polaritons (локализованные поверхностные плазмонно-поляритоны)

MIBK:

Methyl isobutyl ketone (метилизобутилкетон)

PMMA:

Polymethyl methacrylate (полиметилметакрилат)

SCF:

Structural colour filters (структурные цветовые фильтры)

SPP:

Surface plasmon polaritons (поверхностные плазмонно-поляритоны)

SRSPP:

Short-range surface plasmon polaritons (короткодействующие поверхностные плазмонно-поляритоны)