Warna Struktural Gamut Lebar dan Polarisasi-Independen pada Resolusi Spasial Batas Sub-difraksi Optik Berdasarkan LSPP yang Tidak Terpasang
Abstrak
Penurunan ukuran piksel sensor gambar digital untuk pencitraan resolusi tinggi membawa tantangan besar bagi filter warna yang cocok. Saat ini, filter warna pewarna konvensional dengan ukuran piksel beberapa mikron menetapkan batas mendasar untuk resolusi pencitraan. Di sini, kami mengajukan semacam filter warna struktural dengan array nanostruktur hibrid nanohole-nanodisk melingkar pada resolusi spasial sub-difraksi-batas berdasarkan pada polariton plasmon permukaan lokal yang tidak digabungkan (LSPPs). Karena LSPP yang tidak digabungkan mulai berlaku, piksel dapat menghasilkan warna individual meskipun beroperasi sebagai elemen tunggal. Ukuran piksel untuk pemfilteran warna minimum sekecil 180 × 180 nm
2
, menerjemahkan ke piksel pencetakan pada resolusi ~ 141.000 titik per inci (dpi). Selain itu, melalui penyelidikan eksperimental dan numerik, warna struktural yang dihasilkan menunjukkan gamut warna yang lebar, sudut pandang yang besar, dan kemandirian polarisasi. Hasil ini menunjukkan bahwa warna struktural yang diusulkan dapat memiliki potensi besar untuk beragam aplikasi dalam filter optik skala nano, gambar skala mikro untuk tujuan keamanan, dan penyimpanan data optik densitas tinggi.
Pengantar
Sensor gambar digital, yang telah banyak digunakan untuk fotografi, pencitraan video, dan penglihatan mesin, maju ke arah miniaturisasi dan resolusi tinggi. Ini membawa tantangan besar bagi elemen optik konvensional seperti filter warna untuk meningkatkan resolusi spasial [1]. Sensor gambar digital resolusi ultra tinggi dengan ukuran unit pencitraan 50 nm oleh susunan nanorod vertikal ditunjukkan pada tahun 2015 [2], sedangkan ukuran unit filter warna tradisional yang sebagian besar dibuat oleh polimer pewarna organik atau pigmen kimia adalah sebesar beberapa mikrometer. Dengan demikian, satu unit filter warna akan mencakup beberapa unit pencitraan dan menyebabkan hilangnya resolusi pencitraan, yang tidak dapat memenuhi permintaan untuk pencitraan resolusi tinggi di masa mendatang [3].
Baru-baru ini, penyaringan warna berdasarkan warna struktural memberikan metode alternatif untuk mengontrol cahaya secara spasial [4,5,6]. Warna struktural terutama didasarkan pada interaksi antara cahaya dan berbagai struktur nano daripada bahan, sehingga mampu menghasilkan ukuran piksel yang jauh lebih kecil daripada piksel yang dicapai saat ini dalam sensor gambar [7,8,9,10,11]. Batas difraksi klasik Abbe menyatakan bahwa jarak minimum yang dapat diselesaikan antara dua objek yang berjarak paling dekat adalah setengah panjang gelombang yang digunakan untuk pencitraan dalam cahaya tampak [12]. Sejak penemuan fenomena transmisi optik luar biasa (EOT) pada tahun 1998 [13], efek plasmonik telah banyak digunakan untuk merancang filter warna struktural (SCF), memberikan kemungkinan filter warna untuk mewujudkan resolusi spasial yang mencapai batas sub-difraksi. [14,15,16,17]. Saat ini, banyak jenis SCF telah dilaporkan dengan berbagai struktur nano plasmonik [18], seperti susunan lubang nano subwavelength periodik [19,20,21], nanodisk plasmonik [22,23,24], struktur nanohole-nanodisk hibrida [ 25,26,27,28], dan kisi-kisi logam subwavelength [29,30,31,32]. Untuk aplikasi SCF dalam sensor gambar, ukuran piksel kecil, gamut warna lebar, sudut pandang besar, dan independensi polarisasi adalah masalah utama yang harus ditangani. Burgos dkk. memamerkan semacam SCF plasmonik berdasarkan susunan lubang sub-panjang gelombang logam periodik. Warna ditentukan oleh periodisitas blok bangunan plasmonik karena efek kopling, menghasilkan piksel berukuran mikrometer [33]. Warna struktural yang dihasilkan dari metasurfaces semua-dielektrik dengan indeks bias tinggi dan kerugian rendah menawarkan saturasi tinggi dan efisiensi tinggi [34, 35]. Matahari dkk. menyajikan semacam warna struktural semua-dielektrik yang dihasilkan oleh resonansi listrik dan magnetik di TiO2 metasurface. Namun, warna yang berbeda hanya bisa diamati ketika metasurface dikurangi menjadi sekitar 1,6 μm [36]. Hori dkk. melaporkan sejenis filter warna transmisif berdasarkan lubang nano silikon subwavelength berkala yang dapat menggantikan filter warna berbasis pewarna konvensional yang digunakan dalam teknologi sensor gambar CMOS bercahaya bagian belakang. Namun demikian, ukuran pikselnya hanya dapat diperkecil hingga hampir 1 m dan hanya memiliki respons yang tidak sensitif terhadap a ± 20 ° rentang sudut [37]. Yang dkk. memperkenalkan semacam filter warna reflektif berdasarkan rongga Fabry-Perot asimetris, yang bisa mendapatkan ukuran piksel minimum 500 nm [38]. Zeng dkk. mendemonstrasikan semacam filter warna subtraktif plasmonik berdasarkan pada nanograting satu dimensi (1D) yang berpola dalam film Ag tipis optik tunggal, menghasilkan ukuran piksel yang sangat kecil mendekati batas difraksi optik karena interaksi jarak pendek dari polariton plasmon permukaan (SPPs). ). Namun, itu sensitif terhadap polarisasi insiden [39]. Kumar dkk. menyajikan pendekatan untuk pencetakan penuh warna dengan menyandikan informasi warna ke dalam nanodisk Ag/Au yang diangkat di atas reflektor belakang yang berlubang. Warna yang dihasilkan demikian dipertahankan bahkan sebagai piksel individual 250 × 250 nm
2
, mengaktifkan pencetakan warna pada resolusi ~ 100.000 dpi, mendekati resolusi terbatas difraksi [40]. Kecil (puluhan nanometer) struktur nano semikonduktor terisolasi dapat digunakan untuk menghasilkan warna hamburan; namun, mereka tidak menyebar cukup kuat untuk dilihat dengan jelas di mikroskop refleksi medan terang [41].
Di sini, kami mengusulkan semacam warna struktural dengan susunan struktur nano hibrid nanohole-nanodisk melingkar berdasarkan polariton plasmon permukaan terlokalisasi (LSPPs) yang tidak digabungkan, memperoleh ukuran piksel warna individu 180 × 180 nm
2
, sesuai dengan resolusi spasial ~ 141.000 dpi. Selain itu, warna struktural yang dihasilkan mengungkapkan gamut warna yang lebar dengan sudut pandang yang besar dan sifat tidak sensitif terhadap polarisasi yang kuat. Palet warna ilustratif diperoleh dengan mengubah parameter geometris dari struktur nano hibrida, termasuk warna komponen utama cyan, magenta, dan kuning (CMY). Hasil simulasi menunjukkan bahwa warna realisasi menunjukkan fitur invarian sudut besar hingga ± 40°. Selain itu, bentuk melingkar dari struktur nano membuat warna struktural yang ditunjukkan mengungkapkan kemandirian polarisasi yang kuat. Lebih lanjut, karena LSPP yang tidak berpasangan yang berlaku dalam modulasi medan cahaya, piksel warna individual dapat dihasilkan meskipun beroperasi sebagai elemen tunggal, yang menghasilkan pencapaian resolusi sub-difraksi-batas. Sebagai demonstrasi pembuktian konsep, gambar yang berisi huruf berwarna-warni dicetak oleh struktur nano yang disarankan.
Metode
Warna struktural plasmonik yang diusulkan adalah susunan struktur nano hibrid nanodisk-nanohole persegi-kisi persegi reflektif pada substrat silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. 25 nm Ag langsung diuapkan ke pilar 120 nm polimetil metakrilat (PMMA) dengan 1 nm Cr sebagai lapisan adhesi. Di sini, silikon dipilih sebagai substrat karena konduktivitasnya yang tinggi, yang sesuai untuk fabrikasi elektron-beam lithography (EBL). Ag secara khusus dipilih sebagai lapisan logam karena koefisien kepunahannya yang rendah. Selanjutnya, pembentukan lapisan oksida tipis (~ 2-3 nm) (Ag2 O) yang akan menyebabkan sedikit pergeseran dalam spektrum, tetapi memiliki sedikit efek pada kinerja warna struktural [17].
a Ilustrasi susunan nanostruktur hibrid nanodisk-nanohole melingkar pada substrat silikon. b Skema proses fabrikasi untuk struktur nano yang dirancang. c Gambar SEM dari susunan struktur nano yang dibuat dengan P =200 nm dan D =130 nm. Inset memberikan tampilan yang diperbesar. Bilah skala adalah 1 μm (kiri) dan 200 nm (kanan)
Gambar 1b menunjukkan skema proses fabrikasi untuk struktur nano seperti yang disarankan. Pertama, elektron-beam menolak PMMA dengan ketebalan 120 nm spin-coated ke substrat silikon (Gbr. 1b-i). Dan kemudian, template nanopilar PMMA diekspos oleh sistem NanoBeam Limited nB5 dengan tegangan percepatan 100 kV dan arus berkas 100 pA. Proses pengembangan dilakukan dengan merendam sampel dalam larutan metil isobutil keton (MIBK) pada suhu 25 °C selama 2 menit, dilanjutkan dengan pembilasan dalam isopropil alkohol (IPA) selama 2 menit. Terakhir, sampel dikeringkan di bawah aliran N2 (Gbr. 1b-ii). Dan kemudian, lapisan adhesi Cr (1 nm) dan film Ag (25 nm) diendapkan oleh sistem evaporator e-beam (Gbr. 1b-iii). Gambar 1c menunjukkan gambar SEM dari array struktur hibrid nanodisk-nanohole melingkar yang akhirnya dicapai.
Hasil dan Diskusi
Gamut Warna Lebar
Gambar 2a menampilkan palet warna yang dipantulkan secara eksperimental yang diperoleh dengan mengubah diameter D dan titik P dari array struktur nano. Posisi yang sesuai dari warna-warna ini diplot dalam ruang warna CIE 1931, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b, yang menegaskan kemampuan untuk mencapai warna CMY utama mulai dari cyan hingga magenta hingga kuning. Reflektifitas kemudian dikarakterisasi menggunakan spektrometer NOVA-EX yang dipasang pada sistem mikroskopis (Olympus-BX53) dengan panjang gelombang iluminasi berkisar antara 400 hingga 800 nm. Sinyal refleksi dikumpulkan oleh lensa objektif (MPlanFL N, NA =0.9, 100×). Gambar 2c menyajikan spektrum reflektif eksperimental sampel, lembah pergeseran merah sebagai D bervariasi dari 70 hingga 110 nm. Selain itu, untuk struktur yang sama, spektrum reflektif yang disimulasikan diperoleh dengan metode domain waktu-berbeda-hingga (FDTD) yang ditunjukkan pada Gambar. 2d sesuai kualitatif dengan hasil eksperimen yang sesuai, di mana lembah bergeser merah dengan meningkatnya D . Namun, masih ada sedikit perbedaan karena penyimpangan bentuk dan ukuran dari fabrikasi nano, dan indeks bias, serta ketebalan dalam percobaan, dapat sedikit berbeda dari yang digunakan dalam simulasi. Peta kontur spektrum reflektif eksperimental diplot pada Gambar. 2e, f menunjukkan bahwa dampak periode P pada modulasi spektral cukup kecil, sedangkan diameter D memainkan peran dominan untuk kontrol spektral, yang berbeda dari situasi di mana periode adalah faktor utama yang dilaporkan dalam literatur umum lainnya [19,20,21, 33, 36, 37]. Dan properti ini memungkinkan untuk menentukan warna hanya dengan satu struktur nano tunggal.
a Palet warna yang direkam dari warna subtraktif reflektif sebagai fungsi periode P (bervariasi dari 150 hingga 240 nm dalam peningkatan 10 nm) dan diameter D (bervariasi dari 70 hingga 140 nm dengan peningkatan 10 nm). Setiap kotak palet berukuran 8 × 8 μm
2
, dan seluruh susunan berada di bawah penerangan oleh cahaya putih yang tidak terpolarisasi. b Diagram kromatisitas CIE1931 dilapisi dengan titik-titik hitam yang sesuai dengan warna yang diekstraksi dari a . Eksperimental (c ) dan disimulasikan (d ) spektrum reflektif dari susunan struktur nano dengan parameter geometris yang berbeda. Misalnya, “70–240” berarti D =70 nm, P =240 nm. e Peta kontur spektrum reflektif eksperimental sebagai fungsi dari panjang gelombang dan periode datang. Periode P berubah dari 180 menjadi 240 nm, sambil menjaga D =100 nm sebagai konstanta. f Peta kontur refleksi eksperimental untuk susunan struktur nano dengan diameter berbeda yang berubah dari 70 menjadi 140 nm pada periode konstan 230 nm. Tanda bintang putih mewakili posisi lembah (λmenit ), dan garis putus-putus putih mengacu pada garis lurus yang dipasang dengan lembah yang sesuai
Mekanisme Fisik
Diketahui bahwa sifat optik struktur nano periodik sangat bergantung pada jarak antar struktur nano, terutama jika jaraknya relatif kecil. Hal ini karena efek kopling yang terkait dengan hibridisasi dipol atau plasmon multipolar yang lebih tinggi antara struktur nano menyebabkan variasi dalam energi plasmon kolektif [26, 42, 43]. Namun, efek kopling membatasi ukuran piksel, dan terkadang menyebabkan pergeseran puncak resonansi atau pemisahan puncak yang tidak dapat diabaikan, sehingga menghasilkan generasi warna yang tidak terduga [17]. Karena jarak propagasi yang pendek dari short-range surface plasmon polaritons (SRSPPs) dan panjang peluruhan LSPPs yang kecil, saat pemisahan meningkat, efek kopling menjadi lebih lemah, dan interaksi antara struktur nano yang berdekatan menjadi dapat diabaikan [23]. Oleh karena itu, untuk menghindari efek kopling dan mencapai semacam warna struktural yang mencapai resolusi sub-difraksi-batas, ruang antara nanopartikel harus cukup besar dan ukuran sel satuan harus lebih kecil dari ukuran terbatas difraksi. .
Untuk menganalisis mekanisme fisik yang mendasari efek penyaringan warna, susunan struktur nano dengan jarak antar partikel besar dan kecil telah dianalisis dengan menggunakan metode FDTD. Gambar 3 menyajikan simulasi medan listrik (|E|
2
) hasil distribusi di lembah reflektif dan panjang gelombang insiden panjang masing-masing 600 nm. Untuk struktur dengan jarak antar partikel yang besar, tidak peduli pada panjang gelombang insiden pendek (Gbr. 3a) atau panjang (Gbr. 3b), distribusi intensitas medan listrik yang kuat keduanya hanya terbatas pada tepi nanodisk dan lubang nano, menunjukkan bahwa hampir tidak ada LSPP coupling yang ada. Sebagai perbandingan, untuk struktur dengan jarak antar partikel yang kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, intensitas medan listrik yang dibatasi pada antarmuka Ag/Air menunjukkan bahwa ada efek kopling SRSPP pada panjang gelombang insiden yang pendek. Dan pada Gambar 3d, intensitas medan listrik yang terbatas pada celah antara nanodisk menggambarkan bahwa ada efek kopling LSPP yang kuat pada panjang gelombang datang yang panjang. Oleh karena itu, ketika jaraknya kecil, efek kopling LSPP dan SRSPP bertanggung jawab atas modulasi medan cahaya, sedangkan untuk struktur dengan jarak yang lebih jauh, hampir tidak ada efek kopling.
Distribusi medan listrik (|E|
2
) di XZ bidang untuk struktur dengan a , bA =80 nm, P =180 nm, dan c , dA =160 nm, P =180 nm. a , c Diterangi di lembah refleksi. b , d Keduanya diterangi pada panjang gelombang datang 600 nm. Garis putus-putus putih adalah batas dari lapisan Ag
Dalam desain kami, jarak antar partikel cukup besar untuk menghindari efek kopling, sehingga warna yang diamati pada Gambar 2a terutama dimodulasi oleh mode LSPP yang tidak digabungkan. Properti mode LSPP relevan dengan bentuk dan ukuran nanopartikel [44,45,46]; dengan demikian, panjang gelombang resonansi dari struktur yang dirancang terutama dikendalikan oleh diameter struktur nano (ditunjukkan pada Gambar. 2f). Dan karena efek uncoupling, lembah reflektif hampir tidak berubah seiring bertambahnya periode, sesuai dengan hasil eksperimen yang ditunjukkan pada Gambar 2e.
Independensi Polarisasi dan Sudut Pandang Besar
Independensi polarisasi dan sudut pandang yang besar diperlukan untuk filter warna dalam aplikasi penginderaan gambar. Mengingat bentuk lingkaran dari struktur nano adalah simetris sepanjang x dan y arah, dapat disimpulkan bahwa warna struktural yang diusulkan adalah polarisasi independen. Untuk menyelidiki efek sudut pandang, spektrum reflektif di bawah berbagai sudut cahaya datang telah dianalisis dengan metode FDTD. Model simulasi dibangun berdasarkan diagram skematik yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Dan Teknik Sumber Sudut Tetap Broadband (BFAST) digunakan. Indeks bias kompleks bahan untuk simulasi didasarkan pada data dari Palik di perpustakaan bahan perangkat lunak. Hasil simulasi untuk keduanya p -polarisasi dan s -polarisasi ditunjukkan pada Gambar. 4a, b menggambarkan bahwa spektrum reflektif hampir tetap invarian dengan sudut datang hingga ± 40°, menunjukkan sudut pandang yang besar.
Peta kontur dari simulasi spektrum reflektansi sudut yang diselesaikan untuk struktur dengan P =180 nm, D =80 nm di bawah ap -terpolarisasi dan bs -iluminasi terpolarisasi
Resolusi Super Tinggi
Karena LSPP yang tidak digabungkan, desain kami menawarkan semacam warna struktural resolusi spasial tinggi dengan ukuran piksel pada batas sub-difraksi optik. Untuk memverifikasi pencapaian resolusi super tinggi, satu set struktur uji resolusi dibuat. Pola kotak-kotak yang terdiri dari struktur nano dengan 5 × 5, 5 × 4, … , 2 × 1, 1 × 1 array dengan ukuran P =180 nm, dan D =80 nm ditunjukkan pada Gambar. 5a (gambar optik mikroskop medan terang (kiri) dan gambar SEM (kanan)). Seperti yang diharapkan, pada Gambar. 5a-i, array dengan hanya satu struktur nano masih dapat menghasilkan warna magenta, meskipun itu adalah satu piksel tanpa periodisitas. Piksel magenta individu dengan area sel satuan 180 × 180 nm
2
menunjukkan bahwa struktur ini dapat membentuk piksel warna pada grid pitch 180 nm dan mencapai resolusi super tinggi 141.000 dpi.
a Pola uji resolusi pencetakan warna. b Pencetakan warna subwavelength "Alam" dan "Ilmu" dengan ukuran 6 μm × 9 μm. Bilah skala adalah a -i 1 μm, a -ii 500 nm, b -i 200 nm, b -ii 1 μm, dan b -iii 500 nm
Piksel warna yang dirancang untuk aplikasi pencetakan subwavelength ditunjukkan dengan menunjukkan huruf berwarna-warni mikroskopis dengan resolusi piksel sub-difraksi-batas. Kami mencetak huruf "Alam, Sains" dengan warna struktural yang sesuai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b-ii. Gambar 5b-i, b-iii menunjukkan gambar SEM dari daerah yang diuraikan pada Gambar. 5b-ii. Pada Gambar 5b-ii, titik teratas pada huruf “i” dapat terlihat dengan jelas, sekali lagi membuktikan bahwa bahkan satu struktur nano pun dapat bertindak sebagai elemen warna. Fitur ini menghasilkan resolusi cetak pada tingkat struktur nano tunggal, yang dapat memberikan resolusi spasial yang sangat tinggi untuk aplikasi dalam penyimpanan data optik berdensitas tinggi dan gambar skala mikro untuk tujuan keamanan.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, warna struktural pada resolusi spasial sub-difraksi-batas optik yang dihasilkan oleh array struktur hibrid nanohole-nanodisk melingkar diperkenalkan, yang menunjukkan gamut warna yang lebar, sudut pandang yang besar, dan kemandirian polarisasi yang kuat. Karena LSPP yang tidak digabungkan mulai berlaku, ukuran piksel warna dapat mencapai 180 × 180 nm
2
, menunjukkan resolusi tinggi hingga ~ 141.000 dpi. Dan hanya dengan mengubah parameter geometris struktur nano, warna struktural yang ditunjukkan dapat menjangkau seluruh sistem warna CMY. Selain itu, hasil simulasi menunjukkan bahwa warna struktural menunjukkan toleransi sudut yang tinggi hingga ± 40°. Lebih lanjut, struktur ini memiliki keuntungan dari generasi warna individu pada piksel sub-difraksi-batas. Sebagai demonstrasi bukti konsep, gambar huruf berwarna-warni telah diperoleh dengan struktur ini. Warna struktural plasmonik yang diusulkan yang dihasilkan memiliki potensi untuk aplikasi dalam filter warna skala nano untuk memenuhi permintaan tentang pencitraan resolusi super tinggi, dan dapat digunakan untuk tujuan keamanan, dan penyimpanan data optik densitas tinggi.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
