Grote structurele kleurfiltering die profiteert van nanoporeuze metaal-diëlektrische-metaalconfiguratie

Methoden/experimenteel

Ontwerp van het voorgestelde kleurenfilterschema voor grote oppervlakken

In deze studie willen we een zeer efficiënt kleurenfilterschema ontwikkelen voor toepassingen met een groot oppervlak door gebruik te maken van een nanoporeuze MDM-resonantieconfiguratie die in staat is om naast het plasmonische effect ook FP-resonantie te ondersteunen. Figuur 1a toont de schematische configuratie van het voorgestelde op MDM-structuur gebaseerde kleurfilterapparaat, waarbij een NAA-film is ingeklemd tussen een optisch dik Al-substraat en een bovenste dunne Al-laag. De dikte van de NAA en de bovenste Al-laag wordt aangeduid als t ₁ en t ₂ , respectievelijk. Voor de fabricage van een nanoporeuze structuur is de NAA-film een ​​zelf-geassembleerde poreuze structuur die afkomstig is van een Al-plaat via een eenvoudig anodisatieproces in plaats van via conventionele benaderingen die berusten op gecompliceerde en dure e-beam-lithografie. Zoals weergegeven in figuur 1b, bestaat de NAA-film uit een hexagonaal rooster van poriën met de diameter van d. De opening tussen twee aangrenzende poriën wordt weergegeven door Ʌ . Wanneer de opening tussen twee poriën voldoende klein is in vergelijking met de golflengte van belang, gedragen de nanoporeuze lagen, die de bovenste Al-coating en NAA-film omsluiten, zich als quasi-homogene media. Daarom hebben we Ʌ . op de juiste manier ingesteld en d tot respectievelijk 100 en 65 nm. Effectieve mediumtheorie is vaak gebruikt voor het ophelderen van de eigenschappen van dergelijke nanoporeuze structuren [34, 35].

een Schematische geometrie van de voorgestelde structuur op basis van de Al-gecoate NAA-film bovenop een Al-substraat voor kleurfiltering op grote oppervlakken. b Bovenaanzicht van de NAA-film met een hexagonaal rooster van nanoporiën

Voor de asymmetrische MDM-structuur met FP-resonantie wordt de reflectie sterk onderdrukt bij resonantie, wat overeenkomt met een reflectiedip, wanneer de deconstructieve interferentie optreedt tussen het direct gereflecteerde licht op de bovenste lucht-Al-interface en het resonant gekoppelde licht binnen de NAA holte. Anders dan de conventionele MDM-structuur op basis van continue lagen [12,13,14], wordt verwacht dat de voorgestelde nanoporeuze structuur de reflectiekleuren zal afstemmen door niet alleen de dikte van de diëlektrische holte te veranderen, maar ook de poriediameter of opening [28, 29]. Wat nog belangrijker is, dankzij de bovenste nanoporeuze Al-laag, is de voorgestelde structuur in staat om naast FP-resonantie een sterk plasmonisch effect mogelijk te maken, wat de absorptie van de voorgestelde structuur efficiënt kan versterken. De voorgestelde structuur is zorgvuldig ontworpen en beoordeeld met een tool gebaseerd op de FDTD-methode. De dispersie-eigenschappen van de materialen die voor de simulaties worden gebruikt, zijn afgeleid van het ingebouwde multi-coëfficiëntmodel dat door de tool wordt geleverd. Voor de eenvoud bevat het simulatiegebied, dat wordt aangegeven door een gestippeld rood vak in figuur 1b, alleen een eenheidsstructuur en worden de periodieke grenzen toegepast voor de x en y assen. Een standaard automatische niet-uniforme mesh-verfijning met mesh-nauwkeurigheid van 3 is ingesteld voor het gehele simulatiegebied. Deze opstelling zorgt voor een goede afweging tussen nauwkeurigheid en simulatietijd. Een vlakke golf dient als lichtbron. We hebben de dikte van de bovenste Al-coating ingesteld op 15 nm via een reeks simulaties om een ​​reflectiedip van bijna nul te verkrijgen om zeer zuivere kleuren te produceren. Vervolgens wordt de spectrale afstembaarheid op de dikte van de NAA-holte onderzocht, zoals uitgezet in figuur 2a. Als de NAA-dikte t ₂ varieert van 110 tot 180 nm, de resonantiegolflengte verschuift iets naar rood van 465 tot 670 nm, waarbij de gehele zichtbare spectrale band wordt bestreken. Wanneer de dikte van de NAA verder wordt vergroot, komt de resonantiedip uiteindelijk in de nabij-infrarode band terecht. Ondertussen verschijnt een resonantiedip van hogere orde met een relatief smalle bandbreedte van de ultraviolette band naar de zichtbare band met een NAA-dikte van 250 tot 320 nm. Opgemerkt moet worden dat een enkele resonantiedip in de zichtbare band gewenst is voor de productie van levendige reflectiekleuren met een hoge zuiverheid. Om de kleurzuiverheid van de voorgestelde structuur te schatten, worden de chromaticiteitscoördinaten die overeenkomen met de reflectiespectra berekend en in kaart gebracht in het standaard chromaticiteitsdiagram van de International Commission on Illumination (CIE) 1931, zoals weergegeven in figuur 2b. De chromaticiteitscoördinaten evolueren langs de zwarte pijl naarmate de dikte van de NAA toeneemt. Met name het cirkelvormige spoor van de chromaticiteitscoördinaten met NAA-dikte die toeneemt van 110 tot 180 nm, geeft aan dat het voorgestelde schema in staat is om levendige volle kleuren te bereiken door de eenvoudige aanpassing van de NAA-dikte. Afbeelding 3 toont de polarisatie-afhankelijke reflectiespectra van de voorgestelde structuur met verschillende holtediktes van t ₂ = 110, 160 en 320 nm. Opgemerkt wordt dat dezelfde reflectiespectra worden gehandhaafd in termen van de resonantiegolflengte en reflectie-efficiëntie, aangezien de polarisatiehoek van invallend licht varieert van 0° tot 90°. Daarom wordt aangenomen dat de voorgestelde structuur de polarisatie-onafhankelijke eigenschap mogelijk maakt, die wordt toegeschreven aan de symmetrische geometrie van de voorgestelde structuur.

een Gesimuleerde spectrale reflectiereacties van de voorgestelde kleurfilterstructuur met NAA-dikte variërend van 110 tot 320 nm. b Overeenkomstige chromaticiteitscoördinaten in het CIE 1931-chromaticiteitsdiagram

Gesimuleerde reflectiespectra van de voorgestelde structuur met betrekking tot de invallende polarisatie

Vervaardiging van apparaten voor kleurfiltering

Om het voorgestelde kleurenfilterschema te evalueren, hebben we drie monsters met verschillende NAA-diktes vervaardigd door middel van de volgende fabricageprocessen. Commercieel zeer zuiver (99,999%) Al-folie werd aanvankelijk ontvet in aceton en vervolgens gewassen in isopropylalcohol en gedeïoniseerd water zonder enige andere voorbehandeling vóór adonisatie. De geprepareerde Al-folie werd in vierkante stukjes gesneden, die tijdens het anodisatieproces in een zelfgemaakte houder met een effectief oppervlak van 2 cm × 2 cm werden geplaatst. De elektrolytcontainer was een transparante beker met een totaal volume van 4 L. In dit experiment werd achtereenvolgens een anodisatieproces in twee stappen geïmplementeerd. In de eerste stap werd anodisatie uitgevoerd door de vierkante stukjes Al-folie onder te dompelen in 0,3 M oxaalzuur onder de constante anodisatiespanning van 40 V bij kamertemperatuur gedurende 30 minuten. Daarna werden de geanodiseerde exemplaren ondergedompeld in een mengsel van 6,0 gew.% H₃ PO₄ en 1,8 wt% H₂ CrO₄ bij 60 ° C gedurende 5 uur voor het verwijderen van de geoxideerde lagen. In de tweede stap werd anodisatie uitgevoerd met dezelfde experimentele omstandigheden als in de eerste stap. Als resultaat werden de gedeeltelijk geanodiseerde delen van de originele Al-foliestukken omgezet in de NAA-films met goed gedefinieerde rechte poriën. Een ongewenste optisch dikke aluminiumoxidelaag werd gevormd binnen de porie aan de bovenkant van de onderliggende Al-folie vanwege de oxidatie van Al tijdens de tweede anodisatiestap. Om de ongewenste aluminiumoxidelaag in de porie volledig te verwijderen, werden de geanodiseerde monsters opgelost in 6,0 gew.% H₃ PO₄ bij 60 ° C gedurende 10 min. Ten slotte werden drie monsters met verschillende NAA-diktes van 110, 160 en 320 nm bereid door de anodisatietijd nauwkeurig te regelen. De boven- en dwarsdoorsnede van de gefabriceerde NAA-monsters worden weergegeven in Fig. 4a, en vertonen een bevredigende nanoporeuze structuur met goed gevormde poriën en een hoge periodiciteit. Voor de voorbereide monsters werden de poriediameter en de opening tussen twee aangrenzende poriën gemeten als d = 65 nm en Ʌ = 100 nm, respectievelijk. Vervolgens werd een Al-coatinglaag op de voorbereide NAA-film afgezet via sputterdepositie onder een basisdruk van 6,7 × 10 ⁻⁵ Pa en 2,0 kW gelijkstroom voor 260 s. Met name de minimale afzettingssnelheid van 0, 5 Å / s werd gekozen om de diktenauwkeurigheid van de afgezette Al-laag te garanderen. Afbeelding 4b illustreert het bovenaanzicht van de scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-afbeeldingen van de vervaardigde kleurfilterapparaten met dunne Al-coatinglagen erop. De dikte van de afgezette Al-lagen werd gemeten als t ₁ = 16 nm, wat dicht bij de ontworpen dikte ligt.

een Boven- en dwarsdoorsnede van de SEM-beelden van de vervaardigde NAA-films met verschillende diktes van t ₂ = 110, 160 en 320 nm, respectievelijk. b Bovenaanzicht van de SEM-beelden van de voorgestelde structuur op basis van Al-gecoate NAA-film

Optische karakterisering van de voorbereide kleurfilterapparaten

De optische prestaties van elk voorbereid monster werden grondig beoordeeld met betrekking tot reflectiekleur en spectrale respons. Figuur 5a toont de gemeten reflectiekleuren bij normale inval van de vervaardigde monsters met grote afmetingen van 2 cm × 2 cm. Er werden levendige primaire subtractieve kleuren geel, cyaan en magenta waargenomen, waarmee werd geverifieerd dat de voorgestelde benadering van kleurfiltering in staat is om volledige kleuren te genereren met een sterk verbeterde kleurzuiverheid. Voor een beter begrip van de bereikte hoge zuiverheid, werd een aangepaste experimentele opstelling, inclusief een halogeenlamp die als lichtbron dient, een bundelsplitser en een spectrometer, geïmplementeerd om de reflectiespectra van de voorbereide monsters te meten. Figuur 5b, c toont de gemeten reflectiespectra samen met de gesimuleerde reflectiespectra als referenties, waarbij een goede correlatie werd waargenomen tussen het experiment en de simulatie met betrekking tot resonantiegolflengte en vormen van de reflectiespectra. Een kleine discrepantie in spectrale bandbreedte en reflectie-efficiëntie kan worden toegeschreven aan de imperfectie van de fabricage met betrekking tot het ontwerp, inclusief de ruwheid van de Al-NAA-interfaces en inconsistente periodiciteit en grootte van de poriën, die gemakkelijk kunnen worden waargenomen in Fig. 4. Het is ook gebleken dat de gefabriceerde monsters met NAA-diktes van 110, 160 en 320 nm bijna nul resonantiedips hadden bij golflengten van respectievelijk 484, 614 en 539 nm, en praktisch hoge reflectie-efficiënties bereikten van maximaal 73%. De chromaticiteitscoördinaten die overeenkomen met de gesimuleerde en gemeten spectra werden berekend en uitgezet in het CIE 1931-chromaticiteitsdiagram, zoals weergegeven in figuur 5d. Er wordt bevestigd dat de waargenomen reflectiekleuren met een hoge zuiverheid die worden weergegeven in Fig. 5a profiteren van de bereikte hoge reflectie-efficiëntie en bijna nul reflectiedip.

een Vastgelegde optische kleurenbeelden bij normale inval van de vervaardigde apparaten met verschillende NAA-diktes van t ₂ = 110, 160 en 320 nm. b Gesimuleerd en (c ) gemeten reflectiespectra van de gefabriceerde apparaten. d Overeenkomstige chromaticiteitscoördinaten in het CIE 1931-chromaticiteitsdiagram als reactie op de gesimuleerde en gemeten spectra

Resultaten en discussie

Onderzoek van het plasmonische effect

Om het plasmonische effect te onderzoeken dat mogelijk wordt gemaakt door de nanoporeuze Al-laag, onderzoeken we de voorgestelde structuur grondig door de NAA-holte te vervangen door een equivalente homogene holte met een effectieve brekingsindex. Op basis van de effectieve mediumtheorie wordt de effectieve brekingsindex van de NAA-holte met een porieopening van 100 nm en een poriediameter van 65 nm afgeleid als n _eff = ~ 1,48, volgens de vergelijking als volgt uitgedrukt:

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

Hier is de brekingsindex van aluminiumoxide (Al₂ O₃ ) is n _Al2O3 = 1,77 en de vulfractie van lucht in de NAA-holte is \( {f}_{\mathrm{air}}=\pi {\left(d/\Lambda \right)}^2/2\sqrt{3} \). Figuur 6a toont een vergelijking van de reflectiespectra tussen de structuren op basis van de NAA-holte en de homogene holte met n _eff van 1,48 voor verschillende spouwdiktes van t ₂ = 110, 160 en 320 nm. Er kan een goede correlatie worden waargenomen tussen de twee gevallen, wat aangeeft dat de voorgestelde structuur veilig equivalent kan zijn aan de structuur op basis van een homogene holte met een effectieve index van 1,48. Voor de equivalente structuur op basis van de homogene holte, wordt de invloed van poriën in de bovenste Al-laag op het reflectiespectrum weergegeven in figuur 6b. Vergeleken met het geval zonder porie in de bovenste Al-laag, bestaat de voorgestelde structuur uit een bovenste Al-laag met een poriediameter van d = 65 nm kan de absorptie bij resonantie sterk verbeteren. De waargenomen duidelijke roodverschuiving op de resonantiegolflengte kan worden toegeschreven aan het resultaat van het plasmonische effect en de veranderde faseverschuiving in reflectie aan de bovenste Al-laag. Om te verifiëren of de geïntroduceerde poriën in de bovenste Al-laag leiden tot de waargenomen absorptieverbetering door het plasmonische effect, volgen we het elektrische veld (|E |) profielen bij resonantie in de x –z vlak voor de twee gevallen met en zonder de aanwezigheid van poriën op de bovenste Al-laag, zoals geïllustreerd in Fig. 6c. In de structuur met niet-poreuze Al-laag, ondanks het feit dat een sterke veldversterking kan worden waargenomen in de holte bij de resonantiegolflengte van 559 nm vanwege de FP-resonantie die wordt ondersteund door de MDM-structuren, wordt een deel van het licht nog steeds gereflecteerd. Terwijl voor de structuur met een poreuze bovenste Al-laag wordt waargenomen dat de versterking van het elektrische veld niet alleen in de holte is, maar ook in de porie in de bovenste Al-laag door het plasmonische effect bij de resonantiegolflengte van 622 nm. Als gevolg hiervan wordt het licht bijna volledig opgesloten in de voorgestelde structuur, wat overeenkomt met de bijna nul reflectiedip weergegeven in figuur 6b.

een Gesimuleerde reflectiespectra van de voorgestelde structuur op basis van de NAA-holte en de equivalente structuur op basis van een homogene holte met effectieve brekingsindex (n _eff ) voor verschillende spouwdiktes van t ₂ = 110, 160 en 320 nm. b Gesimuleerde reflectiespectra van de structuren inclusief de bovenste Al-laag zonder porie en met porie (d = 65 nm)

Invloed van de Al-oxidatie

Met name werd spontaan een 0,5-4 nm dikke aluminiumoxidelaag gevormd op het oppervlak van Al vanwege luchtoxidatie van Al bij kamertemperatuur [36, 37]. De aluminiumoxidelaag die als stabiele passieve laag dient, kan Al beschermen tegen verdere oxidatie. Rekening houdend met deze situatie werden respectievelijk de reflectiespectra en de overeenkomstige kleurcoördinaten van de structuur met verschillende NAA-diktes geïnspecteerd, zoals weergegeven in Fig. 7. Als de dikte van de aluminiumoxidelaag op het oppervlak van Al-lagen, inclusief de bovenste nanoporeuze Al-laag en het onderste Al-substraat, verhoogd van t ₀ = 0 tot 4 nm, en de reflectiespectra behielden een goede consistentie in termen van resonantiegolflengte en reflectie-efficiëntie. Bovendien gaven de chromaticiteitscoördinaten een stabiele kleuruitvoer aan na de oxidatie van Al. Als resultaat had de luchtoxidatie van Al nauwelijks invloed op de optische prestaties van de voorgestelde structuur. Ter vergelijking werd ook de structuur zonder Al-coatinglaag geëvalueerd. Zoals weergegeven in figuur 8, was de dikte van de NAA-film 160 nm. De grijze kleur, de oorspronkelijke kleur van de Al-folie, werd waargenomen, wat verder bevestigt dat het voorgestelde kleurenfilterschema een sterk verbeterde kleurzuiverheid mogelijk maakte. Zoals aangegeven door de gesimuleerde en gemeten reflectiespectra van de structuur zonder een Al-laag erop, werd er geen duidelijk resonantieverschijnsel waargenomen in de zichtbare spectrale band, wat resulteerde in de waargenomen reflectiekleur met een lage zuiverheid. Met name het uiterlijk van het reflectiespectrum van de NAA-film zonder Al-coatinglaag was vergelijkbaar, ongeacht de dikte van de NAA-film, terwijl dat van de met Al-gecoate NAA-film sterk afhing van de dikte.

Gesimuleerde reflectiespectra van de voorgestelde structuur rekening houdend met de gevormde aluminiumoxidelaag bovenop Al vanwege de luchtoxidatie van de verschillende NAA-holtediktes van 110, 160 en 320 nm

Vastgelegd optisch kleurenbeeld van de gesimuleerde en gemeten reflectiespectra van de referentiestructuur zonder Al-coatinglaag bovenop de NAA-film

Conclusies

Samenvattend hebben we een aantrekkelijke methode voorgesteld en gedemonstreerd voor het bereiken van kleurgeneratie met een groot oppervlak met een hoge kleurzuiverheid door het gebruik van een dunne Al-coatinglaag in combinatie met de NAA-film bovenop een optisch dik Al-substraat. Volgens de theorie van effectief medium gedragen de nanoporeuze lagen die tot de voorgestelde structuur behoren, inclusief de Al-coatinglaag en NAA-film, zich als de quasi-homogene media met bepaalde effectieve brekingsindices. Als gevolg hiervan werkt de voorgestelde structuur als een MDM-resonantiestructuur die FP-resonantie mogelijk maakt, waarbij de resonantiegolflengte die overeenkomt met de reflectiekleur eenvoudig kan worden afgestemd door eenvoudig de NAA-dikte te wijzigen. Ondertussen, door gebruik te maken van de bovenste nanoporeuze Al-laag, ontdekten we dat de voorgestelde structuur het plasmonische effect ondersteunde, wat de absorptie sterk kan verbeteren, wat leidt tot de waargenomen bijna-nul reflectiedip. De optische prestaties van de voorgestelde structuur, afhankelijk van de geometrie, werden theoretisch onderzocht met behulp van de op de FDTD-methode gebaseerde tool. Op basis van geoptimaliseerde parameters werden drie monsters met verschillende NAA-diktes vervaardigd in een gebied van 2 cm × 2 cm. Door de analyse van de experimentele resultaten wordt geverifieerd dat de voorbereide monsters levendige reflectiekleuren vertonen met een hoge reflectie-efficiëntie tot ongeveer 73%. De voorgestelde aanpak kan niet alleen leiden tot een beter begrip van het kleurafstemmingsmechanisme van op NAA-film gebaseerde configuraties, maar vormt ook een belangrijke stap in de richting van de realisatie van kosteneffectieve kleurfilters voor grote oppervlakken in een groot aantal toepassingen, zoals weergave-/beeldapparatuur, fotovoltaïsche cellen en biosensortechnologieën.

Afkortingen

|E|:

Elektrisch veld

Al:

Aluminium

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxide

CIE:

Internationale Commissie voor Verlichting

e-beam:

Elektronenstraal

FDTD:

Tijdsdomein met eindig verschil

FP:

Fabry-Perot

MDM:

Metaal-diëlektrisch-metaal

NAA:

Nanoporeus anodisch aluminiumoxide

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie