Couleur structurelle à large gamme et indépendante de la polarisation à une résolution spatiale de limite de sous-diffraction optique basée sur des LSPP non couplés

Introduction

Les capteurs d'images numériques, qui ont été largement utilisés pour la photographie, l'imagerie vidéo et la vision industrielle, progressent vers la miniaturisation et la haute résolution. Cela représente un grand défi pour les éléments optiques conventionnels tels que les filtres de couleur pour améliorer la résolution spatiale [1]. Un capteur d'image numérique à ultra haute résolution avec une taille d'unité d'imagerie de 50  nm par des matrices verticales de nanotiges a été démontré en 2015 [2], tandis que la taille unitaire du filtre de couleur traditionnel principalement fabriqué par des polymères de colorants organiques ou des pigments chimiques était aussi grande que plusieurs micromètres. Ainsi, une unité de filtre de couleur couvrira plusieurs unités d'imagerie et entraînera une perte de résolution d'imagerie, ce qui ne pourrait pas répondre à la demande de la future imagerie haute résolution [3].

Récemment, le filtrage des couleurs basé sur les couleurs structurelles fournit une méthode alternative pour contrôler la lumière spatialement [4,5,6]. La couleur structurelle est principalement basée sur l'interaction entre la lumière et diverses nanostructures plutôt que sur des matériaux, elle est donc capable de générer des tailles de pixels beaucoup plus petites que les pixels obtenus aujourd'hui dans les capteurs d'images [7,8,9,10,11]. La limite de diffraction classique d'Abbe indique que la distance minimale résoluble entre deux objets rapprochés est au mieux la moitié de la longueur d'onde utilisée pour l'imagerie en lumière visible [12]. Depuis la découverte du phénomène de transmission optique extraordinaire (EOT) en 1998 [13], les effets plasmoniques ont été largement utilisés pour concevoir des filtres de couleur structurels (SCF), offrant la possibilité au filtre de couleur de réaliser une résolution spatiale atteignant la limite de sous-diffraction. [14,15,16,17]. À l'heure actuelle, de nombreux types de SCF ont été signalés avec une variété de nanostructures plasmoniques [18], telles que des réseaux de nanotrous de sous-longueur d'onde périodiques [19,20,21], des nanodisques plasmoniques [22,23,24], des structures hybrides nanohole-nanodisk [ 25,26,27,28] et des réseaux métalliques sous-longueurs d'onde [29,30,31,32]. Pour les applications des SCF dans les capteurs d'images, la petite taille des pixels, la large gamme de couleurs, le grand angle de vision et l'indépendance de polarisation sont les principaux problèmes à résoudre. Burgos et al. ont présenté une sorte de SCF plasmoniques basés sur les réseaux de trous métalliques périodiques de sous-longueur d'onde. Les couleurs ont été définies par la périodicité des blocs de construction plasmoniques en raison de l'effet de couplage, résultant en des pixels de taille micrométrique [33]. Les couleurs structurelles générées à partir de métasurfaces entièrement diélectriques avec un indice de réfraction élevé et une faible perte offrent une saturation élevée et une efficacité élevée [34, 35]. Sun et al. a présenté une sorte de couleur structurelle tout diélectrique générée par les résonances électriques et magnétiques dans TiO₂ métasurfaces. Cependant, les couleurs distinctes n'ont pu être observées que lorsque la métasurface a été réduite à environ 1,6 µm [36]. Horie et al. ont rapporté une sorte de filtres colorés transmissifs basés sur des nanotrous de silicium périodiques de sous-longueur d'onde qui pourraient remplacer les filtres colorés conventionnels à base de colorants utilisés dans les technologies de capteur d'image CMOS rétroéclairées. Néanmoins, sa taille de pixel ne pouvait être réduite qu'à près de 1 m et n'avait qu'une réponse insensible à a Plage angulaire de ± 20° [37]. Yang et al. a introduit une sorte de filtre de couleur réfléchissant basé sur des cavités asymétriques de Fabry-Pérot, qui pourraient obtenir une taille de pixel minimale de 500 nm [38]. Zeng et al. a démontré une sorte de filtre de couleur soustractif plasmonique basé sur les nanoréseaux unidimensionnels (1D) modelés dans un seul film d'Ag optiquement mince, générant une taille de pixel extrêmement petite proche de la limite de diffraction optique en raison des interactions à courte portée des polaritons de plasmon de surface (SPP ). Cependant, il était sensible à la polarisation incidente [39]. Kumar et al. a présenté une approche pour l'impression en couleur en codant les informations de couleur dans des nanodisques Ag/Au surélevés au-dessus d'un rétroréflecteur troué. La couleur ainsi générée a été préservée même sous forme de pixels individuels de 250 × 250  nm ² , permettant l'impression couleur à une résolution de ~ 100 000 dpi, se rapprochant de la résolution limitée par la diffraction [40]. De petites nanostructures semi-conductrices isolées (des dizaines de nanomètres) peuvent être utilisées pour générer les couleurs de diffusion ; cependant, ils ne se dispersent pas assez fortement pour être vus clairement dans un microscope à réflexion à fond clair [41].

Ici, nous proposons une sorte de couleur structurelle avec des matrices de nanostructures hybrides nanotrous-nanodisques circulaires basées sur les polaritons de plasmons de surface localisés non couplés (LSPP), obtenant une taille de pixel de couleur individuelle de 180 × 180 nm ² , correspondant à une résolution spatiale de ~ 141 000 dpi. De plus, la couleur structurelle ainsi générée révèle une large gamme de couleurs avec un grand angle de vision et une forte propriété d'insensibilité à la polarisation. Une palette de couleurs illustrative est obtenue en modifiant les paramètres géométriques des nanostructures hybrides, y compris les couleurs des composants primaires du cyan, du magenta et du jaune (CMY). Les résultats de la simulation démontrent que les couleurs réalisées présentent une grande caractéristique invariante angulaire jusqu'à ± 40°. De plus, la forme circulaire des nanostructures fait que la couleur structurelle démontrée révèle une forte indépendance de polarisation. De plus, en raison des LSPP non couplés prenant effet dans la modulation de champ lumineux, le pixel de couleur individuel peut être généré même s'il fonctionne comme un seul élément, ce qui permet d'obtenir une résolution sous-limite de diffraction. À titre de démonstration de faisabilité, une image contenant des lettres colorées est imprimée par les nanostructures suggérées.

Méthodes

Les couleurs structurelles plasmoniques proposées sont des réseaux de nanostructures hybrides nanodisques-nanoholes circulaires réfléchissants à réseau carré sur substrat de silicium, comme le montre la figure 1a. L'Ag de 25 nm a été directement évaporé sur les piliers de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) de 120  nm avec 1 nm de Cr comme couche d'adhésion. Ici, le silicium a été choisi comme substrat en raison de sa conductivité élevée, ce qui est pratique pour la fabrication de la lithographie par faisceau d'électrons (EBL). Ag a été spécifiquement choisi comme couche métallique en raison de son faible coefficient d'extinction. De plus, sa formation inhérente d'une fine couche d'oxyde (~ 2-3 nm) (Ag₂ O) qui provoquera un léger décalage dans les spectres, mais cela a un petit effet sur les performances structurelles de la couleur [17].

un Illustration des réseaux de nanostructures hybrides nanodisque-nanohole circulaires sur substrat de silicium. b Les schémas du processus de fabrication des nanostructures conçues. c Images SEM des matrices de nanostructures fabriquées avec P =200 nm et D =130 nm. L'encart donne une vue agrandie. Les barres d'échelle sont 1 μm (gauche) et 200 nm (droite)

La figure 1b montre les schémas du processus de fabrication des nanostructures comme suggéré. Tout d'abord, le PMMA résistant au faisceau d'électrons d'une épaisseur de 120  nm a été déposé par centrifugation sur le substrat de silicium (Fig. 1b-i). Et puis, les modèles de nanopiliers en PMMA ont été exposés par le système NanoBeam Limited nB5 avec une tension d'accélération de 100 kV et un courant de faisceau de 100 pA. Le processus de développement a été réalisé en immergeant l'échantillon dans une solution de méthylisobutylcétone (MIBK) à 25°C pendant 2 min, suivi d'un rinçage dans de l'alcool isopropylique (IPA) pendant 2 min. Enfin, l'échantillon a été séché par soufflage sous un flux constant de N₂ (Fig. 1b-ii). Et puis, une couche d'adhésion de Cr (1 nm) et un film d'Ag (25 nm) ont été déposés par un système d'évaporateur à faisceau électronique (Fig. 1b-iii). La figure 1c montre les images SEM de la matrice de structure hybride nanodisque-nanohole circulaire finalement réalisée.

Résultats et discussion

Large gamme de couleurs

La figure 2a affiche une palette de couleurs réfléchies expérimentalement obtenues en modifiant le diamètre D et période P des réseaux de nanostructures. Les positions correspondantes de ces couleurs sont tracées dans l'espace colorimétrique CIE 1931, comme le montre la figure 2b, ce qui confirme la capacité d'obtenir les principales couleurs CMJ allant du cyan au magenta au jaune. La réflectivité est ensuite caractérisée à l'aide du spectromètre NOVA-EX implanté sur le système microscopique (Olympus-BX53) avec la longueur d'onde d'éclairage allant de 400 à 800 nm. Les signaux de réflexion sont collectés par une lentille d'objectif (MPanFL N, NA =0,9, 100x). La figure 2c présente les spectres de réflexion expérimentaux des échantillons, les vallées redshift comme D varie de 70 à 110 nm. De plus, pour les mêmes structures, les spectres de réflexion simulés obtenus par la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) illustrés à la figure 2d sont en accord qualitatif avec les résultats expérimentaux correspondants, où les vallées se déplacent vers le rouge avec l'augmentation D . Cependant, il existe toujours une petite différence en raison des écarts de forme et de taille par rapport à la nanofabrication, et les indices de réfraction, ainsi que les épaisseurs de l'expérience, pourraient être légèrement différents de ceux utilisés dans la simulation. Les cartes de contour des spectres de réflexion expérimentaux tracés sur la figure 2e, f démontrent que l'impact de la période P sur la modulation spectrale est assez faible, tandis que le diamètre D joue un rôle dominant pour le contrôle spectral, ce qui est différent de la situation où la période est le facteur principal rapporté dans d'autres littératures courantes [19,20,21,33,36,37]. Et cette propriété permet de définir des couleurs avec une seule nanostructure.

un Palette de couleurs enregistrée des couleurs soustractives réfléchissantes en fonction de la période P (variant de 150 à 240 nm par incrément de 10 nm) et le diamètre D (variant de 70 à 140 nm par incrément de 10 nm). Chaque carré de palette a une taille de 8 × 8 μm ² , et l'ensemble du réseau est éclairé par une lumière blanche non polarisée. b Diagramme de chromaticité CIE1931 superposé avec les points noirs correspondant aux couleurs extraites de a . Expérimental (c ) et simulé (d ) spectres de réflexion des réseaux de nanostructures avec différents paramètres géométriques. Par exemple, "70-240" signifie D =70 nm, P =240 nm. e Carte de contour des spectres de réflexion expérimentaux en fonction de la longueur d'onde incidente et de la période. La période P passe de 180 à 240 nm, tout en gardant D =100 nm en constante. f Carte de contour de réflexion expérimentale pour des matrices de nanostructures avec différents diamètres variant de 70 à 140 nm à une période constante de 230 nm. Les astérisques blancs représentent les positions des vallées (λ _min ), et les lignes pointillées blanches renvoient aux lignes droites ajustées avec les vallées correspondantes

Mécanisme physique

Il est connu que les propriétés optiques des nanostructures périodiques dépendent largement de la distance entre les nanostructures, en particulier lorsque la distance est relativement petite. En effet, l'effet de couplage lié à l'hybridation du dipôle ou des plasmons multipolaires supérieurs entre nanostructures conduit à des variations de l'énergie collective du plasmon [26, 42, 43]. Cependant, l'effet de couplage limite la taille du pixel, et provoque parfois le décalage ou la division du pic de résonance non négligeable, conduisant ainsi à une génération de couleur inattendue [17]. En raison de la courte distance de propagation des polaritons de plasmons de surface à courte portée (SRSPP) et de la faible longueur de désintégration des LSPP, à mesure que la séparation augmente, l'effet de couplage devient plus faible et les interactions entre les nanostructures voisines deviennent négligeables [23]. Par conséquent, afin d'éviter l'effet de couplage et d'obtenir une sorte de couleur structurelle atteinte à la résolution sous-limite de diffraction, l'espace entre les nanoparticules doit être suffisamment grand et la taille de la cellule unitaire doit être inférieure à la taille limitée par la diffraction. .

Afin d'analyser le mécanisme physique sous-jacent de l'effet de filtrage des couleurs, les réseaux de nanostructures avec des distances interparticulaires grandes et petites ont été analysés en utilisant la méthode FDTD. La figure 3 présente le champ électrique simulé (|E| ² ) résultats de distribution aux vallées réfléchissantes et à la longue longueur d'onde incidente de 600  nm, respectivement. Pour la structure avec une grande distance interparticulaire, quelle que soit la longueur d'onde incidente courte (Fig. 3a) ou longue (Fig. 3b), les fortes distributions d'intensité de champ électrique sont à la fois simplement confinées aux bords des nanodisques et des nanotrous, démontrant qu'il n'existe pratiquement pas de LSPP de couplage. En comparaison, pour la structure avec une petite distance interparticulaire, comme le montre la figure 3c, l'intensité du champ électrique confiné sur l'interface Ag/Air démontre qu'il existe l'effet de couplage SRSPPs à courte longueur d'onde incidente. Et sur la figure 3d, l'intensité du champ électrique limitée dans l'espace entre les nanodisques illustre qu'il existe un fort effet de couplage des LSPP à grande longueur d'onde incidente. Par conséquent, lorsque la distance est petite, les effets de couplage LSPP et SRPP sont tous deux responsables de la modulation du champ lumineux, tandis que pour la structure avec une distance plus grande, il n'y a presque pas d'effet de couplage.

Distribution du champ électrique (|E| ² ) dans le XZ plan pour la structure avec a , b D =80 nm, P =180 nm, et c , d D =160 nm, P =180 nm. un , c Illuminé aux vallées de réflexion. b , d Les deux illuminés à la longue longueur d'onde incidente de 600  nm. Les lignes pointillées blanches sont les limites de la couche Ag

Dans notre conception, la distance interparticulaire est suffisamment grande pour éviter l'effet de couplage, de sorte que les couleurs observées sur la figure 2a sont principalement modulées par les modes LSPP non couplés. La propriété du mode LSPP est pertinente pour la forme et la taille des nanoparticules [44,45,46]; ainsi, la longueur d'onde de résonance de la structure conçue est principalement contrôlée par les diamètres de la nanostructure (montré sur la figure 2f). Et en raison des effets de découplage, les vallées réfléchissantes restent presque inchangées à mesure que la période augmente, ce qui correspond aux résultats expérimentaux illustrés à la figure 2e.

Indépendance de la polarisation et grand angle de vision

L'indépendance de polarisation et un grand angle de vision sont nécessaires pour le filtre de couleur dans les applications de détection d'images. Considérant que la forme circulaire de la nanostructure est symétrique le long du x et y directions, on peut conclure que la couleur structurelle proposée est indépendante de la polarisation. Pour étudier l'effet de l'angle de vision, les spectres réfléchissants sous divers angles de lumière incidente ont été analysés par la méthode FDTD. Le modèle de simulation est construit sur la base du schéma de principe illustré à la figure 1a. Et la technique de source à angle fixe à large bande (BFAST) est utilisée. Les indices de réfraction complexes du matériau pour les simulations sont basés sur les données de Palik dans la bibliothèque de matériaux du logiciel. Les résultats simulés pour les deux p -polarisation et s -la polarisation montrée sur la Fig. 4a, b illustre que les spectres réfléchissants restent presque invariants avec l'angle d'incidence jusqu'à ± 40°, démontrant un grand angle de vision.

Carte de contour des spectres de réflectance simulés résolus en angle pour la structure avec P =180 nm, D =80 nm sous a p -polarisé et b s -éclairage polarisé

Super haute résolution

En raison des LSPP non couplés, notre conception offre une sorte de couleur structurelle à haute résolution spatiale avec une taille de pixel à la limite de sous-diffraction optique. Pour vérifier l'obtention d'une très haute résolution, un ensemble de structures de test de résolution est fabriqué. Les motifs en damier constitués de nanostructures avec des matrices 5 × 5, 5 × 4, … , 2 × 1, 1 × 1 avec une taille de P =180 nm, et D =80  nm sont illustrés sur la figure 5a (une image optique de microscope à fond clair (à gauche) et une image SEM (à droite)). Comme prévu, sur la figure 5a-i, les réseaux avec une seule nanostructure peuvent toujours générer la couleur magenta, même s'il s'agit d'un seul pixel sans périodicité. Le pixel magenta individuel avec une surface de cellule unitaire de 180 × 180  nm ² démontre que cette structure pourrait former un pixel de couleur sur une grille de 180 nm et atteindre une très haute résolution de ∼ 141 000 dpi.

un Modèle de test de résolution d'impression couleur. b Impression couleur sous-longueur d'onde de « Nature » et « Science » avec la taille de 6 μm × 9 μm. Les barres d'échelle sont a -i 1 μm, a -ii 500 nm, b -i 200 nm, b -ii 1 μm, et b -iii 500 nm

Les pixels de couleur conçus pour les applications d'impression sous-longueur d'onde sont démontrés en montrant des lettres colorées microscopiques avec une résolution de pixels sous-limite de diffraction. Nous avons imprimé les lettres de « Nature, Science » avec les couleurs structurelles correspondantes, comme le montre la figure 5b-ii. La figure 5b-i, b-iii montre les images SEM des régions décrites dans la figure 5b-ii. Sur la figure 5b-ii, le point supérieur de la lettre "i" peut être clairement visible, prouvant une fois de plus que même une seule nanostructure peut agir comme un élément de couleur. Cette fonctionnalité donne lieu à une résolution d'impression au niveau d'une seule nanostructure, ce qui pourrait fournir une résolution spatiale extrêmement élevée pour les applications de stockage de données optiques à haute densité et d'images à micro-échelle à des fins de sécurité.

Conclusions

En conclusion, la couleur structurelle à une résolution spatiale optique sous-limite de diffraction générée par les réseaux de structures hybrides nanotrous-nanodisques circulaires est introduite, qui présente une large gamme de couleurs, un grand angle de vision et une forte indépendance de polarisation. En raison de l'entrée en vigueur des LSPP découplés, la taille des pixels de couleur peut atteindre 180 × 180  nm ² , présentant une haute résolution jusqu'à ~ 141 000 dpi. Et en modifiant simplement les paramètres géométriques de la nanostructure, la couleur structurelle démontrée peut couvrir l'ensemble du système de couleurs CMJ. De plus, les résultats de la simulation démontrent que la couleur structurelle présente une tolérance angulaire élevée jusqu'à ± 40°. De plus, cette structure présente l'avantage de générer une couleur individuelle à un pixel de sous-limite de diffraction. À titre de démonstration de faisabilité, une image de lettre colorée a été acquise avec cette structure. La couleur structurelle plasmonique proposée ainsi générée a le potentiel pour des applications dans les filtres de couleur nanométriques pour satisfaire la demande d'imagerie à très haute résolution, et pourrait être utilisée à des fins de sécurité et de stockage de données optiques à haute densité.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont inclus dans l'article.

Abréviations

BFAST :

Technique de source large bande à angle fixe

CMJ :

Cyan, magenta, jaune

dpi :

Points par pouce

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons

EOT :

Transmission optique extraordinaire

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

IPA :

Alcool isopropylique

LSPP :

Polaritons de plasmons de surface localisés

MIBK :

Méthylisobutylcétone

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

SCF :

Filtres de couleur structurels

SPP :

Polaritons de plasmons de surface

SRSPP :

Polaritons de plasmons de surface à courte portée