(Phys.org) —TV's, beeldsensoren, iPads, digitale camera's en andere moderne apparaten gebruiken filters om de breedte van de beschikbare kleuren in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum weer te geven.

Conventionele kleurfilters zijn meestal gemaakt van organische kleurstoffen of chemicaliën, maar ze kunnen worden beschadigd door hitte en ultraviolette straling (UVR), en ze zijn ingewikkeld en kostbaar om te fabriceren, speciaal voor miniatuurcamera's en imagers.

Om deze redenen, zegt Beibei Zeng, ingenieurs wenden zich tot plasmonische kleurenfilters (PCF's), die zijn gebaseerd op oppervlakteplasmonen, of de collectieve oscillatie van elektronen op metaal/diëlektrische grensvlakken. Deze filters zijn gemaakt door fabricage, op een dunne metaalfilm, reeksen gaten met een diameter van 100 nanometer of minder (1 nm is gelijk aan een miljardste van een meter).

Door de geometrie van deze nanogaten te variëren - hun diameter, vorm, periodiciteit en patroon:het is mogelijk om de kleuren die worden verzonden te regelen en een breed spectrum aan kleuren voor beeldverwerkingstoepassingen te creëren.

"PCF's hebben veel voordelen, " zegt Zeng, wie is een Ph.D. kandidaat elektrotechniek. "Ze zijn eenvoudig te maken en kunnen gemakkelijk worden afgestemd op een breed scala aan kleuren. ze zijn zeer stabiel en zijn niet kwetsbaar voor schade door hitte, vochtigheid of UVR."

In hun huidige staat van ontwikkeling, echter, PCF's hebben een groot nadeel:de efficiëntie waarmee ze licht doorlaten is slechts ongeveer 30 procent - minder dan de helft van de transmissie-efficiëntie van 80 procent die wordt bereikt door conventionele kleurenfilters.

Zeng leidt een onderzoeksteam van Lehigh dat een nieuw PCF-schema heeft ontwikkeld dat een transmissie-efficiëntie van 60 tot 70 procent bereikt. De methode is gebaseerd op een subtractieve filterbenadering die fundamenteel verschilt van de additieve filters die doorgaans in PCF's worden gebruikt.

De groep rapporteerde onlangs haar resultaten in een paper met de titel "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters, " die werd gepubliceerd door Wetenschappelijke rapporten , een publicatie van de Nature-groep. Het papier is geschreven door Zeng; Hazelnoot J. Bartoli, afdelingsvoorzitter en hoogleraar elektrotechniek en computertechniek en adviseur van Zeng; en Yongkang Gao, die onlangs zijn Ph.D. in elektrotechniek bij Lehigh.

Profiteren van vooruitgang in nanofabricage

Subtractieve kleurfilters (SCF's) worden veel gebruikt in beeldsensoren, zegt Zeng. Ze hebben voordelen ten opzichte van additieve kleurenfilters (ACF's) in kleursignaalsterkte en lichttransmissie, maar onderzoekers zijn er nog niet in geslaagd om hoogwaardige plasmonische SCF's te produceren.

Zeng's groep toonde aan dat het in staat was om de efficiëntie van plasmonische SCF's te verhogen in een onderzoek dat theoretisch ontwerp combineerde, simulatie, fabricage met behulp van gerichte ionenbundellithografie, en experimentele demonstratie.

"We hebben het geluk dat we bij Lehigh brede interdisciplinaire onderzoekscapaciteiten hebben, " zegt Zeng. "Nadat we theoretisch werk hebben gedaan, we fabriceren apparaten en voeren vervolgens experimenten uit die ons vertellen of de apparaten zullen werken of niet."

Het theoretische werk en de simulatie hielpen zijn groep om de onderliggende fysica te verduidelijken van wat Zeng het 'contra-intuïtieve' fenomeen van buitengewone lage transmissie (ELT) in ultradunne metaalfilms met nanopatroon noemt. relatief recent gemeld, ELT wordt door onderzoekers gezien als veelbelovend voor de ontwikkeling van nieuwe polarisatiefilters.

De groep van Zeng onderzocht ELT op een 30 nm dikke zilverfilm met een patroon van eendimensionale nanoroosters en bereikte subtractieve kleurfiltering met een transmissie-efficiëntie tot 70 procent. Ze waren in staat om cyaan te genereren, magenta en gele kleuren door hun complementaire componenten (rood, blauw en groen) van het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum.

Recente ontwikkelingen in nanofabricage, zegt Zeng, stelde zijn groep in staat om met de ultradunne films te werken, die bijna een orde van grootte dunner zijn dan de 200 nm dikke films waarop additieve PCF's typisch worden geëtst. Het modelleren van de ultradunne zilvermetaalfilms heeft kritische veranderingen in hun fysieke en optische eigenschappen veroorzaakt en stelde de groep in staat om de transmissie-efficiëntie van plasmonische SCF's aanzienlijk te verhogen.

"De relatieve dunheid van onze filters veroorzaakt een koppeling in de elektromagnetische resonanties aan de boven- en onderkant van het metalen oppervlak, " zegt Zeng. "Dit komt niet voor bij dikkere metaalfilms. Zonder deze koppeling er treedt een transmissiepiek op; ermee, de piek wordt een dal en veroorzaakt een transmissiedip.

"We kunnen deze transmissiedip beheersen door de afmetingen van de nanostructuren op de metaalfilm af te stemmen. Nog maar een paar jaar geleden, we konden zulke dunne structuren niet fabriceren. Nu kunnen we nanostructuren systematisch fabriceren en een fijne controle krijgen over de kleuren die door de nanogestructureerde films worden verzonden."

Naast het bereiken van een transmissie-efficiëntie die die van commerciële beeldsensoren benadert, de plasmonische SCF's verhogen de ruimtelijke resolutie door ultracompacte pixelgroottes op te leveren, die nodig zijn in high-definition tv's en in de nieuwste smartphones. Dit gebeurt vanwege de korte-afstandsinteracties van de oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) tussen naburige nanostructuren bij ELT-resonanties.

Deze polarisatie-afhankelijkheid kleurfiltering, de groep schrijft in Wetenschappelijke rapporten , geeft 1-D plasmonische SCF's het potentieel om "te functioneren als transparante vensters onder transversale elektrische polarisatie" en maakt ze "zeer aantrekkelijk" voor transparante displays van de volgende generatie.

"Deze unieke polarisatie-afhankelijke functies zorgen ervoor dat dezelfde structuren kunnen functioneren als kleurenfilters of zeer transparante vensters onder verschillende polarisaties, het openen van een weg naar high-definition transparante displays."

"Huidige transparante schermen worden momenteel beperkt door hun lage ruimtelijke resolutie en slecht kleurengamma, " zegt Zeng. "Ons werk met plasmonische SCF's heeft beide problemen opgelost. We kunnen elke kleur krijgen die we willen en met een zeer hoge resolutie dankzij onze ultracompacte pixelformaten."

De krant van de groep is meer dan 1 gedownload 300 keer sinds de publicatie in oktober, en het werd onlangs geciteerd in een artikel gepubliceerd door Nano-letters .