Pemfilteran Warna Struktural Area Besar Memanfaatkan Konfigurasi Logam-Dielektrik-Logam Nanopori

Metode/Eksperimental

Desain Skema Penyaringan Warna Area Besar yang Diusulkan

Dalam penelitian ini, kami bertujuan untuk mengembangkan skema penyaringan warna yang sangat efisien untuk aplikasi area luas dengan memanfaatkan konfigurasi resonansi MDM nanopori yang mampu mendukung resonansi FP selain efek plasmonik. Gambar 1a menggambarkan konfigurasi skema perangkat pemfilteran warna berbasis struktur MDM yang diusulkan, di mana film NAA diapit di antara substrat Al yang tebal secara optik dan lapisan Al yang tipis di bagian atas. Ketebalan lapisan NAA dan Al atas dilambangkan sebagai t ₁ dan t ₂ , masing-masing. Untuk fabrikasi struktur nanopori, film NAA adalah struktur berpori rakitan sendiri yang berasal dari pelat Al melalui proses anodisasi sederhana daripada melalui pendekatan konvensional yang mengandalkan litografi e-beam yang rumit dan mahal. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1b, film NAA terdiri dari kisi heksagonal pori-pori dengan diameter d. Kesenjangan antara dua pori-pori yang berdekatan diwakili oleh Ʌ . Ketika celah antara dua pori cukup kecil dibandingkan dengan panjang gelombang yang diinginkan, lapisan nanopori, yang meliputi lapisan Al atas dan film NAA, berperilaku sebagai media kuasi-homogen. Oleh karena itu, kami dengan tepat mengatur Ʌ dan d hingga 100 dan 65 nm, masing-masing. Teori medium yang efektif telah umum digunakan untuk menjelaskan sifat-sifat struktur nanopori tersebut [34, 35].

a Geometri skematis dari struktur yang diusulkan berdasarkan film NAA berlapis Al di atas substrat Al untuk penyaringan warna area besar. b Tampilan atas film NAA dengan kisi heksagonal nanopori

Untuk struktur MDM asimetris yang mengaktifkan resonansi FP, pantulan sangat ditekan pada resonansi, sesuai dengan penurunan refleksi, ketika interferensi dekonstruksi terjadi antara cahaya yang dipantulkan langsung pada antarmuka udara-Al atas dan cahaya yang digabungkan secara resonansi dalam NAA rongga. Berbeda dari struktur MDM konvensional berdasarkan lapisan kontinu [12,13,14], struktur nanopori yang diusulkan diharapkan dapat menyesuaikan warna refleksi dengan tidak hanya mengubah ketebalan rongga dielektrik tetapi juga mengubah diameter atau celah pori [28, 29]. Lebih penting lagi, karena lapisan Al nanoporous teratas, struktur yang diusulkan mampu memungkinkan efek plasmonik yang kuat selain resonansi FP, yang secara efisien dapat memperkuat penyerapan struktur yang diusulkan. Struktur yang diusulkan dirancang dan dinilai dengan hati-hati dengan alat berdasarkan metode FDTD. Karakteristik dispersi bahan yang digunakan untuk simulasi diturunkan dari model multi-koefisien bawaan yang disediakan oleh alat. Untuk menyederhanakan, daerah simulasi, yang dilambangkan dengan kotak merah putus-putus pada Gambar. 1b, hanya berisi struktur satuan, dan batas periodik diterapkan untuk x dan y sumbu. Penyempurnaan mesh otomatis non-seragam default dengan akurasi mesh 3 diatur untuk seluruh wilayah simulasi. Pengaturan ini memastikan pertukaran yang baik antara akurasi dan waktu simulasi. Gelombang bidang berfungsi sebagai sumber cahaya. Kami menyetel ketebalan lapisan Al atas ke 15 nm melalui serangkaian simulasi untuk mendapatkan kemiringan refleksi mendekati nol guna menghasilkan warna dengan kemurnian tinggi. Kemudian, tunabilitas spektral pada ketebalan rongga NAA diselidiki, seperti yang diplot pada Gambar. 2a. Sebagai ketebalan NAA t ₂ bervariasi dari 110 hingga 180 nm, panjang gelombang resonansi sedikit bergeser merah dari 465 menjadi 670 nm, menutupi seluruh pita spektral yang terlihat. Ketika ketebalan NAA ditingkatkan lebih lanjut, penurunan resonansi akhirnya masuk ke pita inframerah-dekat. Sementara itu, penurunan resonansi orde tinggi dengan lebar pita yang relatif sempit muncul dari pita ultraviolet ke pita tampak dengan ketebalan NAA berkisar antara 250 hingga 320 nm. Perlu dicatat bahwa penurunan resonansi tunggal pada pita yang terlihat diinginkan untuk menghasilkan warna pantulan yang jelas dengan kemurnian tinggi. Untuk memperkirakan kemurnian warna dari struktur yang diusulkan, koordinat kromatisitas yang sesuai dengan spektrum refleksi dihitung dan dipetakan ke dalam diagram kromatisitas International Commission on Illumination (CIE) 1931 standar, seperti yang digambarkan pada Gambar 2b. Koordinat kromatisitas diamati berkembang di sepanjang panah hitam seiring dengan meningkatnya ketebalan NAA. Secara khusus, jejak melingkar dari koordinat kromatisitas dengan ketebalan NAA yang meningkat dari 110 menjadi 180 nm menunjukkan bahwa skema yang diusulkan mampu mencapai warna penuh yang jelas melalui penyesuaian sederhana ketebalan NAA. Gambar 3 menggambarkan spektrum refleksi yang bergantung pada polarisasi dari struktur yang diusulkan dengan ketebalan rongga t yang berbeda ₂ = 110, 160, dan 320 nm. Diamati bahwa spektrum refleksi yang sama dipertahankan dalam hal panjang gelombang resonansi dan efisiensi refleksi karena sudut polarisasi cahaya datang bervariasi dari 0° hingga 90°. Oleh karena itu, struktur yang diusulkan dianggap memungkinkan properti polarisasi-independen, yang dikaitkan dengan geometri simetris dari struktur yang diusulkan.

a Respons spektral refleksi yang disimulasikan dari struktur penyaringan warna yang diusulkan dengan ketebalan NAA bervariasi dari 110 hingga 320 nm. b Koordinat kromatisitas yang sesuai dalam diagram kromatisitas CIE 1931

Spektrum refleksi yang disimulasikan dari struktur yang diusulkan sehubungan dengan polarisasi insiden

Fabrikasi Perangkat Penyaring Warna

Untuk tujuan mengevaluasi skema penyaringan warna yang diusulkan, kami memproduksi tiga sampel dengan ketebalan NAA yang berbeda melalui proses fabrikasi berikut. Komersial kemurnian tinggi (99,999%) Al foil awalnya degreased dalam aseton dan kemudian dicuci dalam alkohol isopropil dan air deionisasi tanpa pretreatment lain sebelum adonisasi. Al foil yang telah disiapkan dipotong menjadi potongan-potongan persegi, yang ditempatkan dalam wadah yang dibuat sendiri dengan luas efektif 2 cm × 2 cm selama proses anodisasi. Wadah elektrolit adalah gelas kimia transparan dengan volume total 4 L. Dalam percobaan ini, proses anodisasi dua langkah diimplementasikan secara berurutan. Pada langkah pertama, anodisasi dilakukan dengan merendam potongan Al foil persegi ke dalam asam oksalat 0,3 M di bawah tegangan anodisasi konstan 40 V pada suhu kamar selama 30 menit. Setelah itu, spesimen yang telah dianodisasi direndam dalam campuran 6.0 berat H₃ PO₄ dan 1,8 berat H₂ CrO₄ pada 60 °C selama 5 jam untuk menghilangkan lapisan teroksidasi. Pada langkah kedua, anodisasi dilakukan dengan kondisi percobaan yang sama dengan yang digunakan pada langkah pertama. Akibatnya, sebagian anodized bagian dari potongan Al foil asli diubah menjadi film NAA dengan pori-pori lurus yang terdefinisi dengan baik. Lapisan alumina optis tebal yang tidak diinginkan terbentuk di dalam pori di bagian atas Al foil di bawahnya karena oksidasi Al selama langkah anodisasi kedua. Untuk menghilangkan lapisan alumina yang tidak diinginkan di dalam pori sepenuhnya, sampel yang dianodisasi dilarutkan dalam 6.0 wt% H₃ PO₄ pada 60 °C selama 10 menit. Terakhir, tiga sampel dengan ketebalan NAA berbeda 110, 160, dan 320 nm, disiapkan dengan mengontrol waktu anodisasi secara akurat. Tampilan atas dan penampang dari sampel NAA fabrikasi disajikan pada Gambar. 4a, menunjukkan struktur nanopori yang memuaskan dengan pori-pori berbentuk baik dan periodisitas tinggi. Untuk sampel yang disiapkan, diameter pori dan celah antara dua pori yang berdekatan diukur menjadi d = 65 nm dan Ʌ = 100 nm, masing-masing. Kemudian, lapisan pelapis Al diendapkan di atas film NAA yang disiapkan melalui deposisi sputtering di bawah tekanan dasar 6,7 × 10 ⁻⁵ Pa dan 2,0 kW daya arus searah selama 260 dtk. Khususnya, laju pengendapan minimum 0,5 Å/s dipilih untuk memastikan keakuratan ketebalan lapisan Al yang diendapkan. Gambar 4b mengilustrasikan tampilan atas gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari perangkat pemfilteran warna yang diproduksi dengan lapisan pelapis Al tipis di atasnya. Ketebalan lapisan Al yang diendapkan diukur menjadi t ₁ = 16 nm, yang mendekati ketebalan yang dirancang.

a Tampilan atas dan penampang gambar SEM dari film NAA yang diproduksi dengan ketebalan t yang berbeda ₂ = 110, 160, dan 320 nm, masing-masing. b Tampilan atas gambar SEM dari struktur yang diusulkan berdasarkan film NAA berlapis Al

Karakterisasi Optik Perangkat Penyaringan Warna yang Disiapkan

Kinerja optik dari setiap sampel yang disiapkan dinilai secara menyeluruh sehubungan dengan warna refleksi dan respons spektral. Gambar 5a menunjukkan warna pantulan terukur pada kejadian normal dari sampel yang diproduksi dengan dimensi besar 2 cm × 2 cm. Warna subtraktif primer yang jelas dari kuning, cyan, dan magenta diamati, memverifikasi bahwa pendekatan penyaringan warna yang diusulkan mampu menghasilkan generasi penuh warna dengan kemurnian warna yang sangat ditingkatkan. Untuk pemahaman yang lebih baik tentang kemurnian tinggi yang dicapai, pengaturan eksperimental yang disesuaikan, termasuk lampu halogen yang berfungsi sebagai sumber cahaya, pemecah sinar, dan spektrometer, diimplementasikan untuk mengukur spektrum pantulan sampel yang disiapkan. Gambar 5b, c menggambarkan spektrum pantulan yang diukur bersama dengan spektrum refleksi yang disimulasikan sebagai referensi, di mana korelasi yang baik diamati antara eksperimen dan simulasi sehubungan dengan panjang gelombang resonansi dan bentuk spektrum refleksi. Perbedaan kecil dalam bandwidth spektral dan efisiensi refleksi dapat dianggap berasal dari ketidaksempurnaan fabrikasi sehubungan dengan desain, termasuk kekasaran antarmuka Al-NAA dan periodisitas dan ukuran pori yang tidak konsisten, yang dapat dengan mudah diamati pada Gambar. 4. Ditemukan juga bahwa sampel fabrikasi dengan ketebalan NAA 110, 160, dan 320 nm memiliki kemiringan resonansi mendekati nol yang terletak pada panjang gelombang masing-masing 484, 614, dan 539 nm, dan secara praktis mencapai efisiensi refleksi tinggi hingga 73%. Koordinat kromatisitas yang sesuai dengan spektrum yang disimulasikan dan diukur dihitung dan diplot dalam diagram kromatisitas CIE 1931, seperti yang digambarkan pada Gambar 5d. Warna refleksi kemurnian tinggi yang diamati yang ditunjukkan pada Gambar. 5a dikonfirmasi untuk mendapatkan keuntungan dari efisiensi refleksi tinggi yang dicapai dan penurunan refleksi mendekati nol.

a Gambar warna optik yang diambil pada kejadian normal dari perangkat yang diproduksi dengan ketebalan NAA yang berbeda t ₂ = 110, 160, dan 320 nm. b Simulasi dan (c ) mengukur spektrum refleksi dari perangkat yang dibuat. d Koordinat kromatisitas yang sesuai dalam diagram kromatisitas CIE 1931 sebagai respons terhadap spektrum yang disimulasikan dan diukur

Hasil dan Diskusi

Investigasi Efek Plasmonic

Untuk memeriksa efek plasmonik yang dimungkinkan oleh lapisan Al nanopori, kami menyelidiki secara menyeluruh struktur yang diusulkan dengan mengganti rongga NAA dengan rongga homogen yang setara yang menunjukkan indeks bias efektif. Berdasarkan teori medium efektif, indeks bias efektif rongga NAA dengan celah pori 100 nm dan diameter pori 65 nm diturunkan menjadi n _eff = ~ 1.48, menurut persamaan yang dinyatakan sebagai berikut:

$$ \left({n^2}_{\mathrm{eff}}-{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)/\left( {n^2}_{\mathrm{eff}}+2{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)={f}_{\mathrm {air}}\left(1-{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)/\left(1+2{n^2}_{ {\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\kanan). $$ (1)

Di sini, indeks bias alumina (Al₂ O₃ ) adalah n _Al2O3 = 1.77 dan fraksi pengisian udara di dalam rongga NAA adalah \( {f}_{\mathrm{air}}=\pi {\left(d/\Lambda \right)}^2/2\sqrt{3} \). Gambar 6a menunjukkan perbandingan spektrum refleksi antara struktur berdasarkan rongga NAA dan rongga homogen dengan n _eff dari 1,48 untuk ketebalan rongga yang berbeda dari t ₂ = 110, 160, dan 320 nm. Korelasi yang baik dapat diamati antara dua kasus, yang menunjukkan bahwa struktur yang diusulkan dapat secara aman setara dengan struktur berdasarkan rongga homogen dengan indeks efektif 1,48. Untuk struktur ekivalen berdasarkan rongga homogen, pengaruh pori-pori di dalam lapisan Al atas pada spektrum pantulan digambarkan pada Gambar 6b. Dibandingkan dengan kasus yang tidak memiliki pori pada lapisan Al atas, struktur yang diusulkan terdiri dari lapisan Al atas dengan diameter pori d = 65 nm dapat sangat meningkatkan penyerapan pada resonansi. Pergeseran merah yang jelas teramati pada panjang gelombang resonansi dapat dianggap berasal dari hasil efek plasmonik dan pergeseran fasa yang berubah dalam refleksi pada lapisan Al atas. Untuk memverifikasi apakah pori-pori yang dimasukkan di lapisan Al atas mengarah pada peningkatan penyerapan yang diamati melalui efek plasmonik, kami memantau medan listrik (|E |) profil di resonansi di x –z bidang untuk dua kasus dengan dan tanpa adanya pori-pori pada lapisan Al atas, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 6c. Dalam struktur dengan lapisan Al yang tidak berpori, meskipun fakta bahwa peningkatan medan yang kuat dapat diamati di dalam rongga pada panjang gelombang resonansi 559 nm karena resonansi FP yang didukung oleh struktur MDM, sebagian cahaya masih dipantulkan. Sedangkan untuk struktur dengan lapisan Al atas berpori, terlihat bahwa peningkatan medan listrik tidak hanya di dalam rongga tetapi juga di dalam pori di lapisan Al atas melalui efek plasmonik pada panjang gelombang resonansi 622 nm. Akibatnya, cahaya hampir sepenuhnya dibatasi dalam struktur yang diusulkan, sesuai dengan kemiringan refleksi mendekati nol yang ditunjukkan pada Gambar. 6b.

a Spektrum refleksi simulasi struktur yang diusulkan berdasarkan rongga NAA dan struktur setara berdasarkan rongga homogen dengan indeks bias efektif (n _eff ) untuk ketebalan rongga yang berbeda dari t ₂ = 110, 160, dan 320 nm. b Simulasi spektrum refleksi struktur termasuk lapisan Al atas tanpa pori dan dengan pori (d = 65 nm)

Pengaruh Oksidasi Al

Khususnya, lapisan alumina setebal 0,5–4 nm secara spontan terbentuk pada permukaan Al karena oksidasi udara Al pada suhu kamar [36, 37]. Lapisan alumina yang berfungsi sebagai lapisan pasif yang stabil dapat melindungi Al dari oksidasi lebih lanjut. Mempertimbangkan situasi ini, spektrum refleksi dan koordinat kromatisitas yang sesuai dari struktur dengan ketebalan NAA yang berbeda diperiksa, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Sebagai ketebalan lapisan alumina pada permukaan lapisan Al, termasuk nanopori atas Lapisan Al dan substrat Al bawah, meningkat dari t ₀ = 0 hingga 4 nm, dan spektrum pantulan mempertahankan konsistensi yang baik dalam hal panjang gelombang resonansi dan efisiensi pantulan. Selain itu, koordinat kromatisitas menunjukkan keluaran warna yang stabil setelah oksidasi Al. Akibatnya, oksidasi udara Al hampir tidak mempengaruhi kinerja optik dari struktur yang diusulkan. Sebagai perbandingan, struktur tanpa lapisan pelapis Al juga dievaluasi. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 8, ketebalan film NAA adalah 160 nm. Warna abu-abu, yang merupakan warna asli dari Al foil, diamati, lebih lanjut menegaskan bahwa skema penyaringan warna yang diusulkan memungkinkan kemurnian warna yang sangat ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan oleh spektrum refleksi yang disimulasikan dan diukur dari struktur tanpa lapisan Al di atasnya, tidak ada fenomena resonansi yang terlihat jelas pada pita spektrum tampak, yang menghasilkan warna pantulan dengan kemurnian rendah yang teramati. Khususnya, penampakan spektrum refleksi film NAA tanpa lapisan pelapis Al adalah serupa terlepas dari ketebalan film NAA, sedangkan film NAA berlapis Al sangat bergantung pada ketebalan.

Spektrum refleksi yang disimulasikan dari struktur yang diusulkan dengan mempertimbangkan lapisan alumina yang terbentuk di atas Al karena oksidasi udara dari ketebalan rongga NAA yang berbeda 110, 160, dan 320 nm

Gambar warna optik yang diambil dari spektrum refleksi yang disimulasikan dan diukur dari struktur referensi tanpa lapisan pelapis Al di atas film NAA

Kesimpulan

Singkatnya, kami mengusulkan dan mendemonstrasikan metode yang menarik untuk mencapai generasi warna area luas dengan kemurnian warna tinggi melalui penggunaan lapisan pelapis Al tipis bersama dengan film NAA di atas substrat Al yang tebal secara optik. Menurut teori medium efektif, lapisan nanopori yang termasuk dalam struktur yang diusulkan, termasuk lapisan pelapis Al dan film NAA, berperilaku sebagai media kuasi-homogen dengan indeks bias efektif tertentu. Akibatnya, struktur yang diusulkan beroperasi sebagai struktur resonansi MDM yang memungkinkan resonansi FP, di mana panjang gelombang resonansi yang sesuai dengan warna pantulan siap disetel hanya dengan mengubah ketebalan NAA. Sementara itu, dengan memanfaatkan lapisan Al nanoporous teratas, kami menemukan bahwa struktur yang diusulkan mendukung efek plasmonik, yang dapat sangat meningkatkan penyerapan yang mengarah ke penurunan refleksi mendekati nol yang diamati. Kinerja optik dari struktur yang diusulkan tergantung pada geometrinya secara teoritis diteliti menggunakan alat berbasis metode FDTD. Berdasarkan parameter yang dioptimalkan, tiga sampel dengan ketebalan NAA berbeda diproduksi di area 2 cm × 2 cm. Melalui analisis hasil eksperimen, sampel yang disiapkan diverifikasi untuk menunjukkan warna pantulan yang jelas dengan efisiensi pantulan tinggi hingga sekitar 73%. Pendekatan yang diusulkan tidak hanya dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme penyesuaian warna dari konfigurasi berbasis film NAA tetapi juga merupakan langkah penting menuju realisasi perangkat penyaringan warna area besar yang hemat biaya dalam sejumlah besar aplikasi, seperti perangkat tampilan/pencitraan, sel fotovoltaik, dan teknologi biosensor.

Singkatan

|E|:

Medan listrik

Al:

Aluminium

Al₂ O₃ :

Alumina

CIE:

Komisi Internasional untuk Penerangan

e-beam:

Berkas elektron

FDTD:

Domain waktu perbedaan-hingga

FP:

Fabry-Perot

MDM:

Logam-dielektrik-logam

NAA:

Alumina anodik berpori

SEM:

Pemindaian mikroskop elektron

Elektrokatalis Pengurangan Oksigen Fe-N-C Sangat Aktif dan Stabil Berasal dari Electrospinning dan Pirolisis In Situ Perlakuan UV pada Lapisan Transpor Elektron SnO2 Proses Suhu Rendah untuk Sel Surya Perovskit Planar