Großflächige strukturelle Farbfilterung unter Nutzung der nanoporösen Metall-Dielektrikum-Metall-Konfiguration

Hintergrund

Farbfiltertechnologien, die auf Subwellenlängenstrukturen zurückgreifen, haben in einer Vielzahl faszinierender Anwendungen eine entscheidende Rolle gespielt, wie beispielsweise transmissive/reflektive Farbfilter in Anzeigegeräten, Abbildungssystemen, chromatischen Polarisatoren, Photovoltaikzellen und fotorealistischem strukturellem Farbdruck [1,2,3 ,4,5,6,7,8,9,10]. Strukturelle Farbfilterung, die auf traditionellen organischen Farbstoffen/Pigmenten basierenden chemischen Filtern beruht, mildert erfolgreich die Nachteile chemischer Filter, einschließlich einer erheblichen Leistungsverschlechterung unter langjähriger ultravioletter Beleuchtung und ernsthafter Umweltbelastung. Darüber hinaus weist die strukturelle Farbfilterung hervorstechende Merkmale flexibler spektraler Filtereigenschaften und stabiler Spezifikationen auf. Verschiedene Schemata zum Erzielen von Strukturfarben, insbesondere solche, die die Verwendung von mehrschichtigen Dünnfilmen [11,12,13,14,15], Subwellenlängengitter-aktivierten plasmonischen oder geführten Resonanz-Nanostrukturen [16,17,18, 19,20,21,22] und Metaoberflächen [23] wurden vorgeschlagen. Die Herstellung von auf Subwellenlängen-Gittern basierenden Konfigurationen und Metaoberflächen erfordert im Allgemeinen komplizierte Verfahren wie Elektronenstrahl-(E-Beam-)Lithographie und reaktives Ionenätzen, die zeitaufwendig und teuer sind und ihre potentiellen Anwendungen in großen Umgebungsbedingungen. Daher werden mehrschichtige Dünnfilme, insbesondere der Fabry-Perot (FP)-Resonator mit einem dielektrischen Hohlraum, der von zwei metallischen Schichten eingeschlossen ist, häufig als alternative Methode verwendet. Für die Abscheidung unterschiedlicher Kavitätendicken sind jedoch mehrere Herstellungsschritte erforderlich, um gleichzeitig Vollfarben auf einer einzigen Plattform zu erzeugen, was deren Verwendung in praktischen Anwendungen erschwert.

Um die oben genannten Probleme zu mildern, wird nanoporöses anodisches Aluminiumoxid (NAA) als der beste Kandidat angesehen, das eines der kostengünstigen porösen selbstorganisierten Materialien ist, das aus vielen parallelen geraden zylindrischen Nanoporen senkrecht zu einem optisch dicken Al-Substrat besteht [24, 25]. Derzeit werden mehrere Strategien zum Erzeugen mehrerer Strukturfarben auf NAA-Filmen verwendet, einschließlich des Abdeckens der oberen Oberfläche und der inneren Seitenwand des NAA-Films mit Kohlenstoff oder dielektrischem Material, wie z. B. TiO₂ [26,27,28] oder Abscheidung von Metallschichten auf einem NAA-Film [29,30,31,32]. Eine durch FP-Resonanz aktivierte asymmetrische Metall-Dielektrikum-Metall-(MDM)-Konfiguration kann leicht durch einfaches Abscheiden einer Metallschicht auf einem NAA aufgebaut werden. Bei Resonanz ist eine starke Reflexionsunterdrückung zu beobachten, die einer bestimmten Reflexionsfarbe entspricht. Die auf einem NAA abgeschiedene Metallschicht, die aus einem hexagonalen Porengitter besteht, kann gleichzeitig einen starken plasmonischen Effekt ermöglichen und die Absorption der Struktur weiter verbessern [32, 33]. Durch eine einfache Anpassung der Geometrie von NAA, wie Dicke und Porendurchmesser, können die beobachteten Farben effektiv abgestimmt werden. Die berichteten metallbeschichteten NAA-Konfigurationen, die Edelmetalle wie Platin und Gold verwenden, führen jedoch zu hohen Gerätekosten [29, 32]. Außerdem weisen die optischen Spektren der berichteten Konfigurationen niedrige Reflexionseffizienzen, Mehrfachresonanzen innerhalb des sichtbaren Spektralbandes oder breite spektrale Bandbreiten auf, was zu einer unerwünscht geringen Farbreinheit führt.

In dieser Arbeit demonstrieren wir ein hocheffizientes strukturelles Farbfilterschema für großflächige Anwendungen durch die Nutzung einer einfachen nanoporösen Struktur basierend auf einem NAA-Film, der mit einer dünnen Aluminiumschicht (Al) überlagert ist. Lebhafte, unverwechselbare Reflexionsfarben können leicht durch einfaches Ändern der Dicke des NAA eingestellt werden. Al wird aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften, einschließlich hoher Reflektivität im sichtbaren Bereich, geringer Kosten und Kompatibilität mit dem standardmäßigen komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Herstellungsprozess, besonders verwendet [20,21,22]. Die individuelle Rolle jedes geometrischen Parameters der vorgeschlagenen Struktur wird durch die Finite-Differenz-Zeitbereichs-(FDTD)-Methode gründlich untersucht. Proben mit unterschiedlichen NAA-Dicken wurden großflächig durch ein nicht-lithographisches Verfahren hergestellt. Die optischen Eigenschaften der vorbereiteten Proben wurden gemessen und bewertet, indem die gemessenen Ergebnisse mit den simulierten Ergebnissen verglichen wurden.

Methoden/Experimental

Design des vorgeschlagenen großflächigen Farbfilterschemas

In dieser Studie wollen wir ein hocheffizientes Farbfilterschema für großflächige Anwendungen entwickeln, indem wir eine nanoporöse MDM-Resonanzkonfiguration nutzen, die zusätzlich zum plasmonischen Effekt FP-Resonanz unterstützen kann. Figur 1a zeigt die schematische Konfiguration der vorgeschlagenen Farbfiltervorrichtung auf MDM-Strukturbasis, bei der ein NAA-Film sandwichartig zwischen einem optisch dicken Al-Substrat und einer oberen dünnen Al-Schicht angeordnet ist. Die Dicke der NAA und der oberen Al-Schicht werden als t . bezeichnet ₁ und t ₂ , bzw. Für die Herstellung einer nanoporösen Struktur ist der NAA-Film eine selbstorganisierte poröse Struktur, die aus einer Al-Platte durch einen einfachen Anodisierungsprozess entstanden ist und nicht durch konventionelle Ansätze, die auf komplizierte und teure Elektronenstrahllithographie angewiesen sind. Wie in Abb. 1b gezeigt, besteht der NAA-Film aus einem hexagonalen Porengitter mit dem Durchmesser d. Die Lücke zwischen zwei benachbarten Poren wird durch Ʌ . dargestellt . Wenn die Lücke zwischen zwei Poren im Vergleich zur interessierenden Wellenlänge ausreichend klein ist, verhalten sich die nanoporösen Schichten, die die obere Al-Beschichtung und den NAA-Film umfassen, als quasi-homogene Medien. Daher setzen wir entsprechend Ʌ und d auf 100 bzw. 65 nm. Die Theorie des effektiven Mediums wird häufig verwendet, um die Eigenschaften solcher nanoporöser Strukturen aufzuklären [34, 35].

a Schematische Geometrie der vorgeschlagenen Struktur basierend auf dem Al-beschichteten NAA-Film auf einem Al-Substrat zur großflächigen Farbfilterung. b Draufsicht auf den NAA-Film mit einem hexagonalen Gitter aus Nanoporen

Bei der FP-resonanzaktivierten asymmetrischen MDM-Struktur wird die Reflexion bei Resonanz stark unterdrückt, was einem Reflexionsabfall entspricht, wenn die dekonstruktive Interferenz zwischen dem direkt reflektierten Licht an der oberen Luft-Al-Grenzfläche und dem resonant gekoppelten Licht innerhalb der NAA . auftritt Hohlraum. Anders als bei der herkömmlichen MDM-Struktur auf der Grundlage kontinuierlicher Schichten [12,13,14] wird erwartet, dass die vorgeschlagene nanoporöse Struktur die Reflexionsfarben durch Ändern der Dicke des dielektrischen Hohlraums, sondern auch des Porendurchmessers oder -spalts abstimmt [28, 29]. Noch wichtiger ist, dass die vorgeschlagene Struktur aufgrund der oberen nanoporösen Al-Schicht in der Lage ist, zusätzlich zur FP-Resonanz einen starken plasmonischen Effekt zu ermöglichen, der die Absorption der vorgeschlagenen Struktur effizient verstärken kann. Die vorgeschlagene Struktur wird sorgfältig entworfen und mit einem auf der FDTD-Methode basierenden Werkzeug bewertet. Die Dispersionseigenschaften der für die Simulationen verwendeten Materialien werden aus dem integrierten Multikoeffizientenmodell des Tools abgeleitet. Der Einfachheit halber enthält der Simulationsbereich, der in Abb. 1b durch ein gepunktetes rotes Kästchen gekennzeichnet ist, nur eine Einheitsstruktur, und die periodischen Grenzen werden für die x . angewendet und y Achsen. Für den gesamten Simulationsbereich ist standardmäßig eine automatische ungleichmäßige Netzverfeinerung mit einer Netzgenauigkeit von 3 eingestellt. Dieser Aufbau gewährleistet einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Simulationszeit. Als Lichtquelle dient eine ebene Welle. Wir haben die Dicke der oberen Al-Beschichtung durch eine Reihe von Simulationen auf 15 nm eingestellt, um einen Reflexionsabfall nahe Null zu erhalten, um hochreine Farben zu erzeugen. Dann wird die spektrale Abstimmbarkeit in Abhängigkeit von der Dicke des NAA-Hohlraums untersucht, wie in Abb. 2a aufgetragen. Als NAA-Dicke t ₂ variiert von 110 bis 180 nm, die Resonanzwellenlänge verschiebt sich leicht von 465 bis 670 nm rot und deckt das gesamte sichtbare Spektralband ab. Wenn die Dicke der NAA weiter erhöht wird, tritt der Resonanzeinbruch schließlich in das nahe Infrarotband ein. In der Zwischenzeit tritt ein Resonanzeinbruch höherer Ordnung mit relativ schmaler Bandbreite vom ultravioletten Band zum sichtbaren Band auf, wobei die NAA-Dicke im Bereich von 250 bis 320 nm liegt. Es sollte beachtet werden, dass für die Erzeugung lebendiger Reflexionsfarben mit hoher Reinheit ein einziger Resonanzeinbruch im sichtbaren Band erwünscht ist. Um die Farbreinheit der vorgeschlagenen Struktur abzuschätzen, werden die Chromatizitätskoordinaten, die den Reflexionsspektren entsprechen, berechnet und in das standardmäßige Chromatizitätsdiagramm der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) 1931 abgebildet, wie in Abb. 2b dargestellt. Es wird beobachtet, dass sich die Chromatizitätskoordinaten entlang des schwarzen Pfeils entwickeln, wenn die Dicke der NAA zunimmt. Insbesondere die kreisförmige Spur der Chromatizitätskoordinaten mit einer von 110 auf 180 nm ansteigenden NAA-Dicke weist darauf hin, dass das vorgeschlagene Schema durch die einfache Anpassung der NAA-Dicke lebendige Vollfarben erzielen kann. Abbildung 3 zeigt die polarisationsabhängigen Reflexionsspektren der vorgeschlagenen Struktur mit unterschiedlichen Kavitätendicken von t ₂ = 110, 160 und 320 nm. Es wird beobachtet, dass die gleichen Reflexionsspektren hinsichtlich der Resonanzwellenlänge und der Reflexionseffizienz beibehalten werden, wenn der Polarisationswinkel des einfallenden Lichts von 0° bis 90° variiert. Daher wird angenommen, dass die vorgeschlagene Struktur die polarisationsunabhängige Eigenschaft ermöglicht, die der symmetrischen Geometrie der vorgeschlagenen Struktur zugeschrieben wird.

a Simulierte spektrale Reflexionsantworten der vorgeschlagenen Farbfilterstruktur mit einer NAA-Dicke, die zwischen 110 und 320 nm variiert. b Entsprechende Farbwerte in der Farbtafel CIE 1931

Simulierte Reflexionsspektren der vorgeschlagenen Struktur in Bezug auf die einfallende Polarisation

Herstellung von Farbfiltergeräten

Um das vorgeschlagene Farbfilterschema zu bewerten, haben wir drei Proben mit unterschiedlichen NAA-Dicken durch die folgenden Herstellungsverfahren hergestellt. Kommerzielle hochreine (99,999 %) Al-Folie wurde zunächst in Aceton entfettet und anschließend in Isopropylalkohol und entionisiertem Wasser ohne weitere Vorbehandlungen vor der Adonisierung gewaschen. Die vorbereitete Al-Folie wurde in quadratische Stücke geschnitten, die während des Anodisierungsvorgangs in einen selbstgefertigten Halter mit einer wirksamen Fläche von 2 cm × 2 cm gelegt wurden. Der Elektrolytbehälter war ein transparenter Becher mit einem Gesamtvolumen von 4 l. In diesem Experiment wurde nacheinander ein zweistufiger Anodisierungsprozess durchgeführt. Im ersten Schritt wurde die Anodisierung durchgeführt, indem die quadratischen Stücke der Al-Folie in 0,3 M Oxalsäure unter einer konstanten Anodisierungsspannung von 40 V bei Raumtemperatur für 30 Minuten eingetaucht wurden. Anschließend wurden die eloxierten Proben in eine Mischung aus 6,0 Gew.-% H₃ . getaucht PO₄ und 1,8 Gew. % H₂ CrO₄ bei 60 °C für 5 h zum Entfernen der oxidierten Schichten. Im zweiten Schritt wurde die Anodisierung unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie im ersten Schritt durchgeführt. Als Ergebnis wurden die teilweise eloxierten Teile der ursprünglichen Al-Folienstücke in die NAA-Filme mit wohldefinierten geraden Poren umgewandelt. Eine unerwünschte optisch dicke Aluminiumoxidschicht wurde innerhalb der Pore an der Oberseite der darunterliegenden Al-Folie aufgrund der Oxidation von Al während des zweiten Anodisierungsschritts gebildet. Um die unerwünschte Aluminiumoxidschicht innerhalb der Pore vollständig zu entfernen, wurden die anodisierten Proben in 6,0 Gew.-% H₃ . gelöst PO₄ bei 60 °C für 10 min. Schließlich wurden drei Proben mit unterschiedlichen NAA-Dicken von 110, 160 und 320 nm durch genaue Steuerung der Anodisierungszeit hergestellt. Die Draufsicht und die Querschnittsansichten der hergestellten NAA-Proben sind in Abb. 4a dargestellt und zeigen eine zufriedenstellende nanoporöse Struktur mit gut geformten Poren und hoher Periodizität. Für die vorbereiteten Proben wurden der Porendurchmesser und der Abstand zwischen zwei benachbarten Poren mit d . gemessen = 65 nm und Ʌ = 100 nm. Dann wurde eine Al-Beschichtungsschicht auf der Oberseite des vorbereiteten NAA-Films durch Sputtern unter einem Basisdruck von 6,7   ×   10 –5 abgeschieden Pa und 2,0 kW Gleichstromleistung für 260 s. Insbesondere wurde die minimale Abscheidungsrate von 0,5 Å/s gewählt, um die Dickengenauigkeit der abgeschiedenen Al-Schicht sicherzustellen. Abbildung 4b veranschaulicht die Draufsicht der Rasterelektronenmikroskopie(REM)-Bilder der hergestellten Farbfiltervorrichtungen mit dünnen Al-Beschichtungsschichten darüber. Die Dicke der abgeschiedenen Al-Schichten wurde mit t . gemessen ₁ = 16 nm, was nahe an der vorgesehenen Dicke liegt.

a Draufsicht und Querschnittsansichten der SEM-Bilder der hergestellten NAA-Filme mit unterschiedlichen Dicken von t ₂ = 110, 160 bzw. 320 nm. b Draufsicht der SEM-Bilder der vorgeschlagenen Struktur basierend auf einem Al-beschichteten NAA-Film

Optische Charakterisierung der vorbereiteten Farbfiltergeräte

Die optische Leistung jeder hergestellten Probe wurde hinsichtlich Reflexionsfarbe und Spektralempfindlichkeit gründlich bewertet. Abbildung 5a zeigt die gemessenen Reflexionsfarben bei senkrechtem Einfall von den hergestellten Proben mit großen Abmessungen von 2 cm × 2 cm. Es wurden lebendige subtraktive Primärfarben von Gelb, Cyan und Magenta beobachtet, was bestätigt, dass der vorgeschlagene Farbfilteransatz in der Lage ist, eine Vollfarberzeugung mit stark verbesserter Farbreinheit wiederzugeben. Zum besseren Verständnis der erreichten hohen Reinheit wurde ein maßgeschneiderter Versuchsaufbau mit einer Halogenlampe als Lichtquelle, einem Strahlteiler und einem Spektrometer implementiert, um die Reflexionsspektren der präparierten Proben zu messen. Abbildung 5b, c zeigt die gemessenen Reflexionsspektren zusammen mit den simulierten Reflexionsspektren als Referenzen, wobei eine gute Korrelation zwischen Experiment und Simulation hinsichtlich Resonanzwellenlänge und Form der Reflexionsspektren beobachtet wurde. Eine kleine Diskrepanz in der spektralen Bandbreite und Reflexionseffizienz ist auf die Unvollkommenheit der Herstellung in Bezug auf das Design zurückzuführen, einschließlich der Rauheit der Al-NAA-Grenzflächen und der inkonsistenten Periodizität und Größe der Poren, die in Abb. 4. Es wurde auch festgestellt, dass die hergestellten Proben mit NAA-Dicken von 110, 160 und 320 nm Resonanzeinbrüche nahe Null bei Wellenlängen von 484, 614 bzw. 539 nm aufwiesen und praktisch hohe Reflexionseffizienzen von bis zu . erreichten 73 %. Die den simulierten und gemessenen Spektren entsprechenden Chromatizitätskoordinaten wurden berechnet und im CIE 1931-Chromatizitätsdiagramm aufgetragen, wie in Abb. 5d dargestellt. Es wird bestätigt, dass die beobachteten hochreinen Reflexionsfarben, die in Abb. 5a gezeigt sind, von der erreichten hohen Reflexionseffizienz und einem Reflexionsabfall nahe Null profitieren.

a Aufgenommene optische Farbbilder bei senkrechtem Einfall von den hergestellten Geräten mit unterschiedlichen NAA-Dicken von t ₂ = 110, 160 und 320 nm. b Simuliert und (c ) gemessene Reflexionsspektren der hergestellten Geräte. d Entsprechende Farbwertkoordinaten im CIE 1931 Farbwertdiagramm als Reaktion auf die simulierten und gemessenen Spektren

Ergebnisse und Diskussion

Untersuchung des plasmonischen Effekts

Um den durch die nanoporöse Al-Schicht ermöglichten plasmonischen Effekt zu untersuchen, untersuchen wir die vorgeschlagene Struktur gründlich, indem wir die NAA-Kavität durch eine äquivalente homogene Kavität mit einem effektiven Brechungsindex ersetzen. Basierend auf der Theorie des effektiven Mediums wird der effektive Brechungsindex des NAA-Hohlraums mit einer Porenlücke von 100 nm und einem Porendurchmesser von 65 nm zu n . abgeleitet _eff = ~ 1,48, gemäß der Gleichung, die wie folgt ausgedrückt wird:

Hier ist der Brechungsindex von Aluminiumoxid (Al₂ O₃ ) ist n _Al2O3 = 1,77 und der Füllanteil der Luft im NAA-Hohlraum ist \({f}_{\mathrm{Luft}}=\pi {\left(d/\Lambda\right)}^2/2\sqrt{3} \). Abbildung 6a zeigt einen Vergleich der Reflexionsspektren zwischen den Strukturen basierend auf der NAA-Kavität und der homogenen Kavität mit n _eff von 1,48 für verschiedene Kavitätendicken von t ₂ = 110, 160 und 320 nm. Zwischen den beiden Fällen kann eine gute Korrelation beobachtet werden, was darauf hindeutet, dass die vorgeschlagene Struktur der Struktur basierend auf einer homogenen Kavität mit einem effektiven Index von 1,48 sicher äquivalent sein kann. Für die äquivalente Struktur basierend auf der homogenen Kavität ist der Einfluss der Poren innerhalb der oberen Al-Schicht auf das Reflexionsspektrum in Abb. 6b dargestellt. Verglichen mit dem Fall ohne Poren in der oberen Al-Schicht ist die vorgeschlagene Struktur bestehend aus einer oberen Al-Schicht mit einem Porendurchmesser von d = 65 nm kann die Absorption bei Resonanz stark verbessern. Die beobachtete deutliche Rotverschiebung auf der Resonanzwellenlänge ist auf den plasmonischen Effekt und die veränderte Phasenverschiebung bei Reflexion an der oberen Al-Schicht zurückzuführen. Um zu überprüfen, ob die eingebrachten Poren in der oberen Al-Schicht zu der beobachteten Absorptionsverstärkung durch den plasmonischen Effekt führen, überwachen wir das elektrische Feld (|E |) Profile bei Resonanz im x –z Ebene für die beiden Fälle mit und ohne Vorhandensein von Poren auf der oberen Al-Schicht, wie in Fig. 6c dargestellt. In der Struktur mit nicht poröser Al-Schicht wird trotz der Tatsache, dass eine starke Feldverstärkung innerhalb der Kavität bei der Resonanzwellenlänge von 559 nm aufgrund der von den MDM-Strukturen unterstützten FP-Resonanz beobachtet werden kann, ein Teil des Lichts immer noch reflektiert. Bei der Struktur mit poröser oberer Al-Schicht wird beobachtet, dass die Verstärkung des elektrischen Felds nicht nur innerhalb des Hohlraums, sondern auch innerhalb der Pore in der oberen Al-Schicht durch den plasmonischen Effekt bei der Resonanzwellenlänge von 622 nm erfolgt. Infolgedessen wird Licht fast vollständig innerhalb der vorgeschlagenen Struktur eingeschlossen, was dem in Fig. 6b gezeigten Reflexionsabfall nahe Null entspricht.

a Simulierte Reflexionsspektren der vorgeschlagenen Struktur basierend auf der NAA-Kavität und der äquivalenten Struktur basierend auf einer homogenen Kavität mit effektivem Brechungsindex (n _eff ) für verschiedene Kavitätendicken von t ₂ = 110, 160 und 320 nm. b Simulierte Reflexionsspektren der Strukturen einschließlich der obersten Al-Schicht ohne Pore und mit Pore (d = 65 nm)

Einfluss der Al-Oxidation

Bemerkenswert ist, dass sich aufgrund der Luftoxidation von Al bei Raumtemperatur spontan eine 0,5–4 nm dicke Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche von Al bildete [36, 37]. Die als stabile Passivschicht dienende Aluminiumoxidschicht kann Al vor weiterer Oxidation schützen. Unter Berücksichtigung dieser Situation wurden die Reflexionsspektren und die entsprechenden Chromatizitätskoordinaten der Struktur mit unterschiedlichen NAA-Dicken untersucht, wie in Fig. 7 gezeigt. Als Dicke der Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche von Al-Schichten, einschließlich der obersten nanoporösen Al-Schicht und das untere Al-Substrat, erhöht von t ₀ = 0 bis 4 nm, und die Reflexionsspektren behielten eine gute Konsistenz in Bezug auf Resonanzwellenlänge und Reflexionseffizienz bei. Darüber hinaus zeigten die Farbkoordinaten eine stabile Farbausgabe nach der Oxidation von Al an. Als Ergebnis beeinträchtigte die Luftoxidation von Al die optische Leistung der vorgeschlagenen Struktur kaum. Zum Vergleich wurde auch die Struktur ohne eine Al-Überzugsschicht bewertet. Wie in Fig. 8 dargestellt, betrug die Dicke des NAA-Films 160 nm. Die graue Farbe, die die ursprüngliche Farbe der Al-Folie ist, wurde beobachtet, was weiter bestätigt, dass das vorgeschlagene Farbfilterschema eine stark verbesserte Farbreinheit ermöglicht. Wie durch die simulierten und gemessenen Reflexionsspektren der Struktur ohne eine darüberliegende Al-Schicht gezeigt, wurde im sichtbaren Spektralband kein offensichtliches Resonanzphänomen beobachtet, was zu der beobachteten Reflexionsfarbe geringer Reinheit führte. Bemerkenswerterweise war das Erscheinungsbild des Reflexionsspektrums des NAA-Films ohne Al-Überzugsschicht unabhängig von der Dicke des NAA-Films ähnlich, während das des Al-beschichteten NAA-Films stark von der Dicke abhing

Simulierte Reflexionsspektren der vorgeschlagenen Struktur unter Berücksichtigung der gebildeten Aluminiumoxidschicht auf Al aufgrund der Luftoxidation der unterschiedlichen NAA-Hohlraumdicken von 110, 160 und 320 nm

Aufgenommenes optisches Farbbild der simulierten und gemessenen Reflexionsspektren der Referenzstruktur ohne Al-Beschichtung auf der Oberseite des NAA-Films

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir ein attraktives Verfahren zur Erzielung einer großflächigen Farberzeugung mit hoher Farbreinheit durch die Verwendung einer dünnen Al-Beschichtung in Verbindung mit dem NAA-Film auf einem optisch dicken Al-Substrat vorgeschlagen und demonstriert. Gemäß der Theorie des effektiven Mediums verhalten sich die nanoporösen Schichten, die zu der vorgeschlagenen Struktur gehören, einschließlich der Al-Überzugsschicht und des NAA-Films, als quasi-homogene Medien mit bestimmten effektiven Brechungsindizes. Als Ergebnis arbeitet die vorgeschlagene Struktur als MDM-Resonanzstruktur, die eine FP-Resonanz ermöglicht, wobei die der Reflexionsfarbe entsprechende Resonanzwellenlänge durch einfaches Ändern der NAA-Dicke leicht abgestimmt werden kann. Durch die Nutzung der obersten nanoporösen Al-Schicht fanden wir, dass die vorgeschlagene Struktur den plasmonischen Effekt unterstützt, der die Absorption stark verstärken kann, was zu einem beobachteten Reflexionsabfall nahe Null führt. Die optischen Leistungen der vorgeschlagenen Struktur in Abhängigkeit von ihrer Geometrie wurden theoretisch mit dem auf der FDTD-Methode basierenden Werkzeug untersucht. Auf Basis optimierter Parameter wurden drei Proben mit unterschiedlichen NAA-Dicken in einer Fläche von 2 cm × 2 cm hergestellt. Durch die Analyse der experimentellen Ergebnisse wird bestätigt, dass die vorbereiteten Proben lebendige Reflexionsfarben mit einer hohen Reflexionseffizienz von bis zu etwa 73 % aufweisen. Der vorgeschlagene Ansatz kann nicht nur zu einem besseren Verständnis des Farbabstimmungsmechanismus von NAA-Film-basierten Konfigurationen führen, sondern auch einen wichtigen Schritt zur Realisierung kostengünstiger großflächiger Farbfiltervorrichtungen in einer Vielzahl von Anwendungen darstellen. wie Anzeige-/Bildgebungsgeräte, Photovoltaikzellen und Biosensortechnologien.

Abkürzungen

|E|:

Elektrisches Feld

Al:

Aluminium

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

CIE:

Internationale Beleuchtungskommission

E-Strahl:

Elektronenstrahl

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

FP:

Fabry-Perot

MDM:

Metall-Dielektrikum-Metall

NAA:

Nanoporöses anodisches Aluminiumoxid

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie