Poliarizacija valdoma plati spalvų paletė, pagrįsta ypač plonais vienmačiais rezonansiniais grotelių dariniais | mokslinės ataskaitos

Poliarizacija valdoma plati spalvų paletė, pagrįsta ypač plonais vienmačiais rezonansiniais grotelių dariniais | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Ekranai
  • Nanoskalės prietaisai
  • Optinė fizika

Anotacija

Siūlomi ir įrodyta, kad labai efektyvūs, naudojant poliarizaciją suderinti struktūriniai spalvų filtrai, kurių pagrindą sudaro vienmatės rezonansinės aliuminio grotelės, integruotos su silicio nitrido bangolaidžiu, turinčios plačią spalvų paletę. Tokiai metalinei grotelių struktūrai pralaidų spalvų filtravimą įmanoma atlikti tik esant kritinei magnetinei (TM) poliarizacijai, nes didelis atspindys, susijęs su skersiniu-elektriniu (TE) atveju; tačiau, pritaikant poliarizacijai pritaikytas spalvas, galima efektyviai pasiekti optimizuojant struktūrinius parametrus, tokius kaip metalinės grotelės darbinis santykis. Pagamintuose spalvų filtruose pralaidumo spinduliai, kuriems priskiriamas rezonansas tarp krintančios šviesos ir nukreiptų režimų, kuriuos palaiko dielektrinis bangolaidis, užtikrino atitinkamai 90% ir 70% TM ir TE poliarizacijos efektyvumą., kaip numatyta. Pritaikant poliarizaciją, sėkmingai panaudota grupė filtrų su skirtingais grotelių periodais, kad būtų gauta plati spalvų paletė, apimanti visą matomą juostą. Galiausiai, naudojant horizontalias ir vertikalias groteles, praktiškai buvo sukurtas nanoskalės abėcėlės raštas su lanksčiu spalvų deriniu.

Įvadas

Nanostruktūriniai spalvų filtrai yra plačiai laikomi svarbia alternatyva įprastiems dažų / pigmento pagrindu pagamintiems kolegoms dėl jų pastebimų pranašumų, susijusių su kompaktiškumu, spektro pritaikymu, ekologiškumu, suderinamumu su papildomu metalo oksido puslaidininkių (CMOS) procesu, ir daugiafunkcinis 1, 2, 3, 4 . Tokiems filtrams neabejotinai pageidautina, kad jų pritaikymas trimatėse projekcijų rodymo sistemose, ypač greituosiuose ekranuose, apsauginėse etiketėse, poliarizacijos detektoriuose ir aktyviuose spalvų taškuose būtų 5, 6, 7, yra plati spalvų derinimo savybė. Įtaisai, kurie priklauso nuo rezonanso, valdomo režimo (GMR), yra ypač patrauklūs dėl jų paprasto projektavimo ir pagaminimo, tinkamo pralaidumo, garso spalvos grynumo, kompaktiško dydžio ir lanksčios perdavimo charakteristikos: 7, 8, 9, 10 ; tačiau dažniausiai jie apsiriboja statiniu atveju, kai palengvėja iš anksto nustatytos vienos spalvos atsiradimas. Bandant gauti adaptyviai kontroliuojamas spektrines charakteristikas, anksčiau buvo bandoma įvairių schemų, kuriomis buvo galima pritaikyti kritimo kampą ar grotelių periodą, termo / elektro-optinį efektą ir mechaniškai valdyti prietaiso padėtį 9, 10, 11, 12, 13 ; tačiau visais atvejais reikėjo aukštos pavaros įtampos, be to, prietaisus reikėjo tiksliai suderinti, taip apribojant jų nustatymo diapazoną. Visų pirma buvo tiriama, kad spalvų filtrai, kurie naudojasi GMR vienmatėje (1D) grotelių struktūroje, yra tinkami naudoti skersinio magnetinio (TM) režimu, nes jų žemas pralaidumas skersiniu elektriniu (TE) režimu 13, 14, 15, 16 ; todėl tokiems GMR pagrįstiems įtaisams ryškių spalvų generavimas tiek TM, tiek TE režimuose yra didžiausias rūpestis transmisiniu režimu, atsižvelgiant į tai, kad poliarizacijai jautrus dažymas buvo įmanomas tik atspindinčiajame režime 17 . 1D metalinėms grotelėms, atsižvelgiant į didelius TE polarizacijos atspindžius, manoma, kad yra sudėtinga įgyvendinti transmisiniu režimu veikiantį polarizuotu spalvų filtru.

Šiame darbe buvo pasiūlytas ir išplėtotas pralaidus spalvų filtras, kuriam naudojama ypač plona aliuminio (Al) tinklelio struktūra, naudojanti GMR, kad būtų galima užtikrinti poliarizacijos kontroliuojamą plačią spalvų paletę. Metalinių grotelių veikimo santykis yra ypač optimizuotas, kad būtų pasiektos padidintos rezonansinės perdavimo viršūnės tiek TM, tiek TE poliarizacijos metu, tokiu būdu gaunant ryškias, individualias spalvas. Įrenginio veikimas nuodugniai išanalizuotas atsižvelgiant į perdavimo signalą ir atitinkamas spalvų savybes, taip pat į rezonansinių lauko profilių raidą. Įvairių spalvų filtrų grupė ir sudėtingas nanoskalės modelis, kuris yra sukurtas juos tinkamai derinant, yra praktiškai pagamintos taip, kad patvirtintų savavališką spalvą, nustatytą koreguojant poliarizaciją ir grotelių periodą. Prognozuojama, kad siūlomus įrenginius bus galima lengvai pritaikyti tokiose programose kaip ultra greito ekrano įtaisai, apsauginės etiketės, apsauga nuo klastojimo ir optinė duomenų saugykla 5, 18, 19, 20, 21 .

Rezultatai

Siūlomo spalvų filtro poliarizacijos ir selektyvumo perdavimo spektrai ir jo spalvos reakcija

Siūlomame spalvų filtre yra 40 nm storio (H g ) 1D Al grotelės, sukrautos ant silicio nitrido šerdies, kurios storis yra 100 nm (H c ), kaip parodyta 1 pav. (A). Pasirinktas grotelių santykis, apibrėžtas kaip pločio (W) ir laikotarpio (Λ) santykis, yra 0, 5, siekiant užtikrinti, kad tuo pačiu metu būtų galima pasiekti patobulintų perdavimo tiek TM, tiek TE poliarizacijų atžvilgiu. Krintančios šviesos poliarizaciją rodo magnetinio lauko (H) suderinimas X krypties atžvilgiu. TM ir TE poliarizacijos reiškia H lauką, kuris yra išlygintas atitinkamai X- (θ = 0 °) ir Y-kryptimis (θ = 90 °). Manoma, kad siūlomas prietaisas pasižymi perdavimo tipo filtravimo charakteristikomis, kurios priklauso nuo GMR efekto, kuris pasireiškia tarp kritimo bangos ir bangolaidžio, kuris jungia silicio nitrido šerdį, nesandariais režimais, kaip bus aptarta vėliau. Konkrečių poliarizacijų atveju rezonansinės metalo-dielektrinės struktūros perdavimas išreiškiamas tokiu santykiu 18 :

Image

a ) Siūlomo spalvų filtro schema, kai patenkanti baltoji šviesa filtruojama į skirtingas spalvas, atsižvelgiant į poliarizaciją. b ) pagamintų prietaisų SEM atvaizdai, kurių laikotarpiai top = 280 nm, 340 nm ir 400 nm nuo viršaus iki apačios. Įdėklai rodo aptiktus ryškių spalvų vaizdus, ​​susijusius su TM ir TE poliarizacijomis, tai reiškia, kad spalvų išvestį galima perjungti iš violetinės ir žalios, žalios ir geltonos, geltonos ir rausvai raudonos.

Visas dydis

Image

kur θ yra poliarizacijos kampas, λ yra laisvosios erdvės šviesos bangos ilgis, o T 0 ir T 90 yra atitinkamai TM ir TE atvejų perdavimas.

1 pav. (B) parodytas pagamintas filtras įsriegiamas į skirtingo laikotarpio Al groteles. Įdėklai rodo mikroskopinius ryškių spalvų vaizdus, ​​susijusius su prietaisais, atsižvelgiant į poliarizaciją, pažymėtą mėlyna rodykle. Prietaisų, kurių Λ = 280 nm, 340 nm ir 400 nm, spalvų išėjimą galima perjungti atitinkamai iš violetinės ir žalios, žalios ir geltonos, geltonos ir rausvai raudonos, kontroliuojant TM ir TE poliarizacijos būseną.

Poliarizacijai jautrūs perdavimo spektrai yra pavaizduoti 2 pav. (A) (i) - (iii), kai Λ = 280 nm, 340 nm ir 400 nm, kai poliarizacija kinta nuo θ = 0 ° iki 90 °. 15 ° pakopomis. Tikrinama, ar perdavimo spektrai neturi rezonansinių smailių, darant prielaidą, kad TM ir polarizacijų efektyvumas yra atitinkamai maždaug 90% ir 70%. CIE 1931 spalvingumo koordinatės, atitinkančios iš poliarizacijos priklausomus išmatuotus spektrus, kurie yra išvesti iš standartinių lygčių 7, 22, yra parodyti 2 pav. (B) (i) - (iii). Spalvų gama, kurią galima gauti iš pikselio tam tikru laikotarpiu, pavaizduota linija chromatiškumo diagramoje. Imituoti perdavimo spektrai ir atitinkamos spalvų reakcijos, parodančios garso koreliacijas su matavimo rezultatais, parodytais 2 pav. (A, b), pateikiami papildomame paveiksle S1.

Image

a ) Išmatuoti perdavimo spektrai, kai grotelių periodai yra: (i) 280 nm, (ii) 340 nm ir (iii) 400 nm, kai poliarizacijos būsena svyruoja nuo θ = 0 ° iki 90 °. b ) CIE 1931 spalvinimo schema, atitinkanti spektrus.

Visas dydis

Ištirti plačią spalvų paletę, gaunamą perduodant spektrus, susijusius su poliarizacija

Stengiantis atlikti spektrinį prietaiso, apimančio visą matomą spektrinę juostą, charakteristikas, 1D Al grotelių periodo poveikis buvo griežtai ištirtas poliarizacijos prasme, naudojant modeliavimą, pagrįstą baigtinio skirtumo laiku. domeno (FDTD) metodas. 3 paveiksle (a) pavaizduoti TM ir TE poliarizacijų imituojami ir išmatuoti perdavimo spektrai, kai laikotarpis skenuojamas nuo 260 nm iki 420 nm, didinant 20 nm. Perdavimo smailės tuo pačiu metu gaunamos dviejų poliarizacijų atžvilgiu, tai parodo punktyrinė juoda linija, atsekianti rezonansinius bangų ilgius, vykstančius nuo λ = 427 nm iki 639 nm TM ir nuo λ = 450 nm iki 655 nm TE, kai laikotarpis svyruoja nuo 260 nm iki 420 nm. 3 pav. B) pavaizduotos CIE 1931 spalvos koordinatės reaguojant į imituotą ir išmatuotą perdavimo spektrą. Iš 3 pav. B matyti, kad tiek TM, tiek TE poliarizacijai gali būti suteiktas ryškus spalvų rinkinys. Tačiau TE atveju spalvos grynumas yra santykinai mažesnis nei TM atvejo. Tai priskiriama faktui, kad TE poliarizacijos perdavimo spektras turi aukštesnį šoninės juostos lygį, palyginti su TM atveju, ir tokiu būdu pablogėja atitinkamas spalvos grynumas 7 . Pažymima, kad šoninę juostą efektyviai slopina paviršiaus plazmos rezonansas ir gretima Rayleigh anomalija TM atveju, skirtingai nuo TE atvejo 16 . Kiekvienas pastovaus periodo filtras gali veikti kaip atskiras taškas, sukuriantis poliarizacijos tarpininkaujamą spalvų paletę. 4 paveiksle pateikiami pagaminto filtro perdavimo režimo mikroskopo vaizdai, kurių matmenys yra 40 μm × 40 μm, kaip grotelių periodo ir poliarizacijos funkcija, užbaigiant plačią spalvų paletę. Vaizdai išdėstomi atsižvelgiant į periodą ir poliarizaciją, kurios atitinkamai svyruoja nuo 260 nm iki 420 nm ir nuo 0 ° iki 90 °.

Image

a ) imituojami ir išmatuoti TM ir TE kritinių poliarizacijų perdavimo spektrai, kai laikotarpis svyruoja nuo 260 nm iki 420 nm; Čia perdavimo smailes nusako juoda punktyrine linija. b ) Atitinkamos CIE 1931 spalvingumo koordinatės.

Visas dydis

Image

Kiekviename spalvotame taške, kurio matmenys yra 40 μm × 40 μm, grotelių susidarymo laikotarpis svyruoja nuo 260 nm iki 420 nm, o poliarizacijos kampas sureguliuojamas nuo 0 ° iki 90 °.

Visas dydis

Mechanizmas, atsakingas už rezonansinio perdavimo poliarizacijos kontroliuojamas viršūnes

Siekiant išaiškinti fizikinį mechanizmą, pagrindžiantį selektyviosios poliarizacijos polarizaciją, magnetinio ir elektrinio lauko profiliai buvo ištirti tipinio filtro, kurio Λ = 340 nm, o darbo santykis yra 0, 5, atveju. Buvo stebimi H lauko (| H X | 2 ) ir E lauko (| E X | 2 ) intensyvumo profiliai, kad būtų galima iš esmės sustiprinti dielektrinių bangolaidžių šerdyje atitinkamai TM ir TE atvejais, perdavimo perdavimo smailėse esant λ = 522 nm ir 552 nm, kaip parodyta 5 pav. (A, b). Drastiškai padidėję lauko pasiskirstymai rodo stovintį bangos plotą, kuris vystosi dėl priešpriešinio sklidimo vadovaujamų režimų, kuriuos palaiko plokštuminis dielektrinis bangolaidis 21 .

Image

a ) Magnetinio lauko intensyvumas (| H X | 2 ), kai TM dažnis λ = 522 nm, ir b ) TE dažnio elektrinio lauko intensyvumas (| E X | 2 ), kai λ = 552 nm, .

Visas dydis

Taip pat buvo išsiaiškinta spektrinio atsako ir atitinkamo prietaiso spalvos priklausomybė nuo darbo santykio, kaip parodyta papildomuose S2 paveiksluose. Netolimo lauko profiliai, skirti 0, 3 ir 0, 7 darbo santykiams, parodyti papildomame S3 paveiksle. Siekiant užtikrinti didesnį perdavimo efektyvumą ir patobulintą spektrinę formą tiek TE, tiek TM poliarizacijai, darbo santykis pirmiausia buvo nustatytas kaip 0, 5. Taip pat buvo tiriama Al perdavimo grotelių ir silicio nitrido šerdies storis. Kaip parodyta papildomame S4 ​​paveiksle, tipinio filtro, kurio periodas yra 340 nm, eksploatacinės savybės buvo iš esmės nevienodos su metalo grotelių storiu, išskyrus nedidelį bangos ilgio poslinkį, tuo tarpu spektrinis raudonasis poslinkis buvo stebimas didėjant dielektriko storiui. šerdis, kaip parodyta papildomame S5 paveiksle. Atsižvelgiant į aiškiai apibrėžtą spektrinę formą kartu su padidinta spalvų reakcija, metalo grotelės ir dielektrinės šerdies storiai buvo pasirinkti atitinkamai 40 nm ir 100 nm.

Imituotų perdavimo spektrų kontūrų žemėlapis pavaizduotas atitinkamai 6 pav. (A, b) TM ir TE atvejais, nes grotelių susidarymo laikotarpis svyruoja nuo 260 nm iki 420 nm. Apskaičiuotos siūlomo filtro GMR sąlygos yra specialiai išdėstytos kontūrų žemėlapyje. Tapo akivaizdu, kad GMR rezultatai gali būti panaudoti tiksliai apskaičiuojant perdavimo modelio smailių, susijusių su modeliuojamaisiais spektrais, vietas. Dispersijos santykis, susijęs su dielektriniu bangolaidžiu, kuris yra uždengtas Al grotele, kuris turi reikšmę nustatant GMR sąlygas, pateikiamas pagal šią lygtį:

Image

Norint įvertinti perdavimo viršūnių vietą, apskaičiuotos GMR sąlygos, nurodytos juodaisiais kvadratais, yra uždėtos modeliuotų perdavimo spektrų kontūrų žemėlapyje: ( a ) TM ir b ) TE poliarizacijai.

Visas dydis

Image

kur m yra režimo skaičius, H c yra šerdies storis, β yra sklidimo konstanta, n h yra šerdies lūžio rodiklis, n c1 yra viršutinio apvalkalo efektyvusis indeksas, įskaitant metalinę grotelę ir orą, n c2 yra efektyvusis substrato indeksas, o k 0 yra bangos skaičius laisvoje erdvėje. TM ir TE režimai žymimi atitinkamai ρ = 1 ir 0. GMR įvyko, kai patenkinamas fazių suderinimas tarp bangolaidžio, kuriam valdomas režimas, sklidimo konstantos β ir grotelės vektoriaus (G = 2π / Λ) 4 .

Nanoskalės modelio, turinčio lankstų poliarizacijos sąlygotų spalvų derinį, įkūnijimas

Stengiantis išryškinti pritaikytą siūlomo filtro spalvų generavimą, nanoskalės modelis, sudarytas iš subtilių abėcėlės raidžių rinkinio, buvo sujungtas įterpiant vertikalias ir horizontalias rezonansines groteles atitinkamai stačiakampėse dėžutėse ir išorėje. Modelis buvo sukurtas parinkus tris grotelių periodus: 300 nm, 360 nm ir 420 nm. 7 pav. (A) pavaizduotas SEM vaizdas iš nanoskalės modelio, kurio dydis 20 μm × 60 μm, 360 nm laikotarpiu, kur trys raidės „K“, „W“ ir „U“ yra kaip santrumpa „ KwangWoon universitetas “yra aiškiai matomi kartu su atitinkamomis metalinėmis grotelėmis. Kitus laikotarpius vaizduojantys vaizdai parodyti papildomame S6 paveiksle. Mikroskopiniai spalvų atvaizdai, atspindintys skirtingą poliarizaciją, įskaitant θ = 0 °, 45 ° ir 90 °, parodyti 7 pav. (B). Pažymima, kad lankstų ryškių spalvų derinį galima gauti dėl poliarizacijos, kuri bus svarbiausia tokiose programose kaip poliarizacija - multipleksuotas optinis duomenų saugojimas.

Image

a ) 20 μm × 60 μm dydžio nanoskalės modelio SEM vaizdas, užrašytas horizontalių ir vertikalių Al rezonansinių grotelių deriniu, turinčiu 360 nm periodą. ( b ) Atitinkami perdavimo režimo mikroskopiniai vaizdai skirtingiems of = 300 nm, 360 nm ir 420 nm laikotarpiams ir skirtingoms poliarizacijoms of = 0 °, 45 ° ir 90 °.

Visas dydis

Diskusija

Buvo sukurti ir įvertinti labai efektyvūs struktūriniai spalvų filtrai, gaunami naudojant poliarizaciją su ultra plonais Al groteliais kartu su dielektriniu bangolaidžiu, ir užtikrinantys perdavimo efektyvumą atitinkamai iki 90% ir 70% TM ir TE poliarizacijose. Koreguojant metalinio grotelių periodą, taip pat dinamiškai keičiant kritimo poliarizaciją, visoje matomoje juostoje buvo realizuota plati spalvų paletė. Norint patvirtinti TM ir TE perdavimo viršūnių priskyrimą GMR, kurią inicijuoja ultra plonasis grotelės kartu su dielektriniu bangolaidžiu, buvo intensyviai tiriami tiek artimojo lauko magnetinio, tiek elektrinio intensyvumo profiliai, kartu su GMR dispersija. Visų pirma, dėl nanoskalės abėcėlės modelio, suformuoto išdėstant horizontalias ir vertikalias groteles, atsirado savavališkas spalvų derinys, kuris gali būti esminis požymis tokioms programoms kaip poliarizacijos ir multiplekso optinio duomenų kaupimas. Siūlomi prietaisai galiausiai palengvins įvairių programų, apimančių saugos žymes, rodymo įtaisus, vaizdo jutiklius, biomedicininius vaizdavimo metodus ir funkcinius metas paviršiaus įrenginius, atsiradimą.

Metodai

Skaitmeniniai modeliavimai

Spalvų filtrų perdavimo spektrai ir lauko profiliai buvo ištirti modeliuojant FDTD įrankį (FDTD Solutions, Lumerical, Kanada) 23 . Įprasto dažnio plokštumos banga buvo įvesta atsižvelgiant į silicio nitrido, Al ir SiO 2 lūžio rodiklius 24 . Vienu elementu, tenkinančiu periodines ribines sąlygas, buvo pasinaudota tam, kad būtų galima imituoti periodiškai išdėstomus Al nanosukus.

Įrenginio gamyba

Siūlomi spalvų filtrai buvo suprojektuoti ir pagaminti 40 μm × 40 μm matmenimis. 100 nm storio silicio nitrido plėvelė buvo nusodinta ant stiklinio substrato, naudojant plazmoje sustiprintą cheminį nusodinimą garais (PECVD) (Oxford, Plasmalab System 100). Tuomet 40 nm storio Al plėvelė buvo nusodinta naudojant elektronų pluošto garintuvą (Temescal BJD-2000 E-spinduliuotės / šiluminio garintuvo sistemą), kuris vėliau buvo modeliuojamas per elektronų pluošto litografijos sistemą (RAITH 150), kuriai panaudoti buvo priimtas teigiamas ZEP520A atsparumas, o po to sausas ėsdinimas buvo atliktas plazmos ėsdintuve (Versaline LL ICP ėsdinimo sistema), naudojant dujų, esančių Cl2, BCl 3 ir Ar, mišinį.

Optinis apibūdinimas

Užbaigtas Al modelis buvo vizualiai įvertintas naudojant didelės skiriamosios gebos lauko emisijos skenavimo elektroninį mikroskopą (FESEM S-4800, Hitachi). Transmisijos spektrai buvo patikrinti, ar nėra skirtingų poliarizacijų, paleidžiant halogeninės lempos (HL-2000-FHSA, „Ocean Optics“) kolimuojamą pluoštą, kuris buvo tinkamai poliarizuotas per kalcito kristalų poliarizatorių (GTH 10M-A, Thorlabs), link paruošto. filtras, kuris buvo pritvirtintas motorizuotoje sukimosi stadijoje per fokusavimo lęšį. Optinė išvestis buvo užfiksuota spektrometru (Avaspec-3648, Avantes) per daugialypį pluoštą. Vaizdai, kurie yra susiję su kiekvienu spalvų filtro tašku, buvo užfiksuoti naudojant skaitmeninį mikroskopą („Leica DM6000 M“).

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Koirala, I. et al . Poliarizacijos kontroliuojama plati spalvų paletė, pagrįsta ypač plonomis vienos dimensijos rezonansinėmis grotelių struktūromis. Mokslas. Rep. 7, 40073; „doi“: 10.1038 / srep40073 (2017).

Leidėjo pastaba: „ Springer Nature“ išlieka neutralus paskelbtų žemėlapių jurisdikcijos reikalavimų ir institucinių ryšių atžvilgiu.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.