Plasmonische materialen kunnen het elektromagnetische spectrum op unieke wijze regelen dankzij de oppervlaktearchitectuur op nanoschaal. Recente ontwikkelingen in nanotechnologie en materiaalwetenschap en hun gecombineerde vermogen om gecontroleerde geometrieën op nanoschaal te ontwikkelen, blijven zich ontwikkelen, zoals waargenomen met optische eigenschappen van amplitude, fase- en golffronten voor materialen in de optica. Hoewel onderzoekers zich hebben gericht op individuele frequenties en golflengten, weinig studies hebben geprobeerd om fundamentele eigenschappen over meerdere elektromagnetische frequentieregimes te beheersen. Bijvoorbeeld, multispectrale systemen kunnen nieuwe oppervlakken creëren met gecombineerde functies, zoals reflecterende meerlagen die selectief infrarood licht absorberen en uitzenden in transparante atmosferische ramen voor thermisch beheer. evenzo, plasmonfilters met afstembare resonantie kunnen worden gebruikt voor multispectrale kleurenbeeldvorming. Deze concepten kunnen worden toegepast om camouflage- en anti-namaaktechnieken te bereiken.

Resonanties in dergelijke systemen treden op als geëxciteerde elektrische en magnetische multipoolmodi die afhankelijk zijn van de geometrieën en afmetingen van de samenstellende materialen vanwege inherente kenmerken van plasmonhybridisatie en plasmon-fonon-koppeling. Dergelijke eigenschappen kunnen effectief worden gebruikt om optische oppervlakte-eigenschappen van een materiaal te manipuleren. Echter, pogingen om structurele parameters te controleren en een specifiek spectraal regime te accommoderen, kunnen resonanties van hogere orde in lagere golflengtebereiken beïnvloeden, wat resulteert in een gebrek aan onafhankelijke controle van het optische karakter in specifieke spectrale gebieden.

In een recente studie, een nieuw apparaat maakte gebruik van plasmonica om verschillende golflengten van licht te regelen met behulp van een meerlaags holte-gekoppeld nanogestructureerd systeem. Het plasmonische systeem handhaafde continu afstembare absorptie gedurende de middengolf (3-5 µm) en lange golf (8-12 µm) infrarood (MWIR en LWIR) atmosferische transparantievensters, met behoud van bijna onveranderlijke zichtbare eigenschappen. Het apparaat is ontworpen en ontwikkeld door Daniel Franklin en collega's van de afdeling Natuurkunde en gefabriceerd met een diëlektrische laag met een patroon met regelmatig op afstand staande gaten van nanoformaat. Met opzet, de nanostructuren waren ingeklemd tussen een reflecterende metalen spiegel en een dunne bovenste goudlaag met gaten die overeenkomen met de middelste schijf. functioneel, de spectrale respons van de meerlagige holte-gekoppelde nanostructuur was afhankelijk van interacties tussen plasmonische resonanties, diffractie en holte feedback.

De resonantiemodus van elk regime werd gedefinieerd en onderzocht met behulp van numerieke simulaties met eindige differentietijddomein (FDTD). De parameters werden geïdentificeerd en gevarieerd om een ​​experimenteel infrarood (IR) kleurenpalet te creëren. Dergelijke beelden werden zichtbaar gemaakt met IR-camera's, maar werden verborgen in het zichtbare domein door consistente pixel-tot-pixel plasmonische absorptie en diffractie. De studie maakte gebruik van een multispectrale technische opstelling om holte-geïnduceerde plasmonics te demonstreren voor toepassingen in camouflage- en anti-namaaktechnologieën. Het werk is nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

Als een proof-of-principle, Franklin et al. gecodeerde afbeeldingen en gegevens op materiële oppervlakken en observeerde ze met behulp van infrarood en zichtbare camera's om het potentieel van het holte-gekoppelde plasmonische systeem aan te tonen. Bij de techniek, de wetenschappers creëerden een kaart tussen diameters van een bepaalde pixel en grijswaarden van het oppervlak om te bekijken via infraroodcamerabeelden. Het beeld werd eerst gecodeerd met behulp van direct laserschrijven op een mastertemplate-polymeer dat werd gebruikt om het nanogestructureerde oppervlak te fabriceren met behulp van nano-imprintlithografie (NIL). Voor en na het NIL-proces werden de geproduceerde drielaagse metalen holtes afgebeeld met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) voor oppervlaktekarakterisering.

Door de laserschrijfparameters (kracht en snelheid) van het masterschrijfproces te variëren, de wetenschappers verkregen verschillende gatdiameters voor de mid-wave infrarood (MWIR) en langegolf infrarood (LWIR) apparaten. Afhankelijk van de lichtinval en kijkhoek, wanneer bekeken met het oog of met behulp van een zichtbare regime-camera, het gecodeerde oppervlak verscheen als een uniform kleurblok. Ondertussen toonde de infraroodcamera de gecodeerde grijswaardenbeelden met een resolutie die afhangt van de oppervlakteplasmonica.

De wetenschappers voerden zichtbare en infrarood spectrometermetingen uit van de gefabriceerde plasmonische systemen. De infrarood resonerende oppervlakken werden afgebeeld met behulp van camera's die waren ontworpen voor hun respectieve werkingsbanden. Een gekoelde indium-antimonidedetector werd gebruikt om de MWIR-oppervlakken te bekijken en een ongekoelde VO _x microbolometercamera werd gebruikt om het LWIR-oppervlak te bekijken. Dipolaire koppeling tussen de reeks gaten / schijven en hun interactie met optische holte dicteerde de infraroodrespons. Diffractie naar Fabry-Perot-holtemodi domineerde het zichtbare regime. Grijswaardenafbeeldingen en -gegevens werden in de oppervlakken gecodeerd door de diameter van de gaten van het plasmonische systeem in kaart te brengen op de respectieve pixels.

Toen het aan de holte gekoppelde plasmonische systeem werd geëxciteerd bij resonantie, coherente interacties tussen fotonen en de dichtheid van vrije elektronen in het metaal produceerden collectief geladen oscillaties die bekend staan ​​als oppervlakteplasmonen. Ladingslokalisatie met hoge dichtheid en microstromen waren het gevolg van de interacties aan de randen van de metalen elementen, waarvan de energie verdwijnt door ohms verlies.

Door de systeemparameters te variëren, de wetenschappers codeerden afbeeldingen op het oppervlak binnen een gewenst spectraal bereik, terwijl deze afbeeldingen in andere niet zichtbaar waren. Bijvoorbeeld, een afbeelding gecodeerd binnen het middengolf infrarood (MWIR) venster, verscheen als een grijswaardenafbeelding wanneer bekeken door een MWIR-camera, hoewel het uiterlijk binnen het zichtbare bereik en het langegolf-infrarood (LWIR) -regime een constante kleur bleef.

De wetenschappers karakteriseerden optische kenmerken van het holte-gekoppelde plasmonische systeem in het onderzoek en categoriseerden ze op basis van geometrische kenmerken ten opzichte van de golflengte van invallend licht (λ _incl ). Om dit effect aan te tonen, twee apparaten werden voornamelijk gedefinieerd en gesimuleerd in de studie onder leiding van de onderzoeksgroep om te werken in de MWIR en LWIR atmosferische transparantievensters. De multispectrale reflectiespectra van de respectieve oppervlakken werden berekend als een functie van de diameter van het gat met behulp van de FDTD-methode.

Toen het invallende licht aanzienlijk groter was dan het patroon, het systeem gedroeg zich als een metalen vlak of spiegel. Toen het invallende licht afnam, buitengewone lichttransmissie vond plaats via de subgolflengte hole-disk array, door geïnduceerde plasmonresonantie, het koppelen van de elektromagnetische golf in de holte. Toen het invallende licht vergelijkbaar werd met de structurele dimensie van de array, het systeem ondersteunde hogere-orde plasmonische en interferentieresonanties vanwege het begin van de holte-interne diffractie. Met behulp van de parameterstudie, Franklin et al. identificeerde twee mogelijke routes om infraroodcodering te bereiken; (i) de diameter van de gaten en (ii) de reliëfdiepte - met behoud van een uniforme zichtbare absorptie.

De wetenschappers kwantificeerden de diffractie-efficiëntie in de studie voor de MWIR- en LWIR-apparaten als een functie van de gatdiameter met behulp van FDTD. Resultaten gaven aan dat apparaten kunnen worden afgestemd op verschillende golflengten; voornamelijk door de infraroodtransparantievensters door de diameter van het gat/de schijf te wijzigen en de helderheid van pixel tot pixel in het zichtbare domein te behouden. De gecodeerde informatie was niet 'onzichtbaar' voor verschillende golflengten, daarentegen overschreden de afmetingen van het plasmonische gat-schijfsysteem de diffractielimiet van het zichtbare licht. Individuele kenmerken waren zichtbaar met objectieven met een hoge vergroting. Het onderzoek combineerde fabricagegemak en compatibiliteit op flexibele substraten om de apparaatarchitectuur te ontwerpen. De resultaten zullen leiden tot nieuwe plasmonische oppervlakken met multispectrale functies om informatie te coderen.

© 2018 Wetenschap X Netwerk