Breiter Farbraum und polarisationsunabhängige Strukturfarbe bei optischer Unterbeugungsgrenze räumlicher Auflösung basierend auf nicht gekoppelten LSPPs

Einführung

Digitale Bildsensoren, die für Fotografie, Video-Bildgebung und maschinelles Sehen weit verbreitet sind, gehen in Richtung Miniaturisierung und hoher Auflösung. Für konventionelle optische Elemente wie Farbfilter stellt es eine große Herausforderung dar, die räumliche Auflösung zu verbessern [1]. Ein ultrahochauflösender digitaler Bildsensor mit einer Abbildungseinheitsgröße von 50 nm durch vertikale Nanostab-Arrays wurde 2015 demonstriert [2], während die Einheitsgröße traditioneller Farbfilter, die hauptsächlich aus organischen Farbstoffpolymeren oder chemischen Pigmenten hergestellt werden, mehrere Mikrometer betrug. Somit deckt eine Farbfiltereinheit mehrere Abbildungseinheiten ab und verursacht einen Verlust an Abbildungsauflösung, der die Nachfrage nach der zukünftigen hochauflösenden Abbildung nicht erfüllen könnte [3].

Neuerdings bietet die Farbfilterung auf Basis von Strukturfarben eine alternative Methode, um Licht räumlich zu kontrollieren [4,5,6]. Die Strukturfarbe basiert hauptsächlich auf der Wechselwirkung zwischen Licht und verschiedenen Nanostrukturen und nicht auf Materialien, so dass sie in der Lage ist, viel kleinere Pixelgrößen zu erzeugen als die Pixel, die heute in Bildsensoren erreicht werden [7,8,9,10,11]. Abbes klassische Beugungsgrenze besagt, dass der minimal auflösbare Abstand zwischen zwei nahe beieinander liegenden Objekten bestenfalls die Hälfte der Wellenlänge beträgt, die für die Abbildung im sichtbaren Licht verwendet wird [12]. Seit der Entdeckung des Phänomens der außergewöhnlichen optischen Transmission (EOT) im Jahr 1998 [13] wurden plasmonische Effekte weit verbreitet für die Entwicklung von strukturellen Farbfiltern (SCFs) verwendet, die eine Möglichkeit für den Farbfilter bieten, eine räumliche Auflösung zu erreichen, die die Subbeugungsgrenze erreicht [14,15,16,17]. Gegenwärtig wurden viele Arten von SCFs mit einer Vielzahl von plasmonischen Nanostrukturen [18] beschrieben, z. 25,26,27,28] und Metallgitter im Subwellenlängenbereich [29,30,31,32]. Für die Anwendungen von SCFs in Bildsensoren sind die kleine Pixelgröße, der breite Farbraum, der große Betrachtungswinkel und die Polarisationsunabhängigkeit die wichtigsten zu lösenden Probleme. Burgoset al. zeigten eine Art plasmonischer SCFs basierend auf den periodischen metallischen Subwellenlängen-Loch-Arrays. Die Farben wurden durch die Periodizität plasmonischer Bausteine ​​aufgrund des Kopplungseffekts eingestellt, was zu mikrometergroßen Pixeln führte [33]. Strukturfarben, die aus volldielektrischen Metaoberflächen mit hohem Brechungsindex und geringem Verlust erzeugt werden, bieten eine hohe Sättigung und hohe Effizienz [34, 35]. Sonneet al. präsentierte eine Art volldielektrischer Strukturfarbe, die durch elektrische und magnetische Resonanzen in TiO₂ . erzeugt wurde Metaoberflächen. Die ausgeprägten Farben konnten jedoch nur beobachtet werden, wenn die Metaoberfläche auf etwa 1,6 µm reduziert wurde [36]. Horieet al. berichteten über eine Art transmissive Farbfilter basierend auf periodischen Subwellenlängen-Silizium-Nanolöchern, die herkömmliche farbstoffbasierte Farbfilter ersetzen könnten, die in rückseitig beleuchteten CMOS-Bildsensortechnologien verwendet werden. Trotzdem konnte seine Pixelgröße nur auf knapp 1 µm verkleinert werden und reagierte nur unempfindlich auf a ± 20° Winkelbereich [37]. Yanget al. eine Art reflektiven Farbfilter basierend auf asymmetrischen Fabry-Perot-Kavitäten eingeführt, der eine minimale Pixelgröße von 500 nm erreichen konnte [38]. Zeng et al. demonstrierten eine Art plasmonischer subtraktiver Farbfilter basierend auf eindimensionalen (1D) Nanogittern, die in einem einzigen optisch dünnen Ag-Film gemustert sind und extrem kleine Pixelgrößen nahe der optischen Beugungsgrenze aufgrund der kurzreichweitigen Wechselwirkungen von Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPPs) erzeugen ). Es reagierte jedoch empfindlich auf die einfallende Polarisation [39]. Kumaret al. präsentierten einen Ansatz für den Vollfarbdruck durch Kodieren von Farbinformationen in Ag/Au-Nanoscheiben, die über einem löchrigen Rückreflektor angebracht sind. Die so erzeugte Farbe wurde sogar als einzelne Pixel von 250 × 250 nm ² . beibehalten , was den Farbdruck mit einer Auflösung von ~ 100.000 dpi ermöglicht und sich der beugungsbegrenzten Auflösung nähert [40]. Kleine (zehn Nanometer) isolierte Halbleiter-Nanostrukturen können verwendet werden, um die Streufarben zu erzeugen; sie streuen jedoch nicht stark genug, um in einem Hellfeld-Reflexionsmikroskop klar gesehen zu werden [41].

Hier schlagen wir eine Art Strukturfarbe mit kreisförmigen Nanoloch-Nanodisk-Hybrid-Nanostruktur-Arrays basierend auf den ungekoppelten lokalisierten Oberflächenplasmonenpolaritonen (LSPPs) vor, die eine individuelle Farbpixelgröße von 180 × 180 nm ² . erhalten , entsprechend einer räumlichen Auflösung von ~ 141.000 dpi. Außerdem zeigt die so erzeugte Strukturfarbe eine breite Farbskala mit einem großen Betrachtungswinkel und einer starken polarisationsunempfindlichen Eigenschaft. Eine anschauliche Farbpalette wird durch Ändern der geometrischen Parameter der hybriden Nanostrukturen erhalten, einschließlich der Primärfarben von Cyan, Magenta und Gelb (CMY). Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die realisierten Farben eine große winkelinvariante Eigenschaft von bis zu ± 40° aufweisen. Darüber hinaus lässt die runde Form der Nanostrukturen die gezeigte Strukturfarbe eine starke Polarisationsunabhängigkeit erkennen. Darüber hinaus kann aufgrund der entkoppelten LSPPs, die bei der Lichtfeldmodulation wirksam werden, das einzelne Farbpixel erzeugt werden, obwohl es als einzelnes Element arbeitet, was zum Erreichen einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze führt. Als Proof-of-Concept-Demonstration wird ein Bild mit bunten Buchstaben von den vorgeschlagenen Nanostrukturen gedruckt.

Methoden

Die vorgeschlagenen plasmonischen Strukturfarben sind reflektierende quadratische Gitter kreisförmige Nanoscheiben-Nanoloch-Hybrid-Nanostruktur-Arrays auf Siliziumsubstrat, wie in 1a gezeigt. Das 25 nm Ag wurde direkt auf die 120 nm Polymethylmethacrylat (PMMA) Säulen mit 1 nm Cr als Haftschicht aufgedampft. Hier wurde Silizium aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit als Substrat ausgewählt, was für die Elektronenstrahllithographie (EBL) geeignet ist. Ag wurde aufgrund seines niedrigen Extinktionskoeffizienten speziell als metallische Schicht gewählt. Darüber hinaus ist die inhärente Bildung einer dünnen (~ 2–3 nm) Oxidschicht (Ag₂ O), was zu einer leichten Verschiebung der Spektren führt, aber einen kleinen Einfluss auf die strukturelle Farbleistung hat [17].

a Illustration der kreisförmigen Nanodisk-Nanoloch-Hybrid-Nanostruktur-Arrays auf einem Siliziumsubstrat. b Die Schemata des Herstellungsprozesses für die entworfenen Nanostrukturen. c REM-Aufnahmen der hergestellten Nanostruktur-Arrays mit P =200 nm und D =130 nm. Der Einschub gibt eine vergrößerte Ansicht. Die Skalenbalken sind 1 μm (links) und 200 nm (rechts)

Abbildung 1b zeigt die schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für die Nanostrukturen wie vorgeschlagen. Zunächst wurde der 120 nm dicke Elektronenstrahlresist PMMA auf das Siliziumsubstrat aufgeschleudert (Abb. 1b-i). Anschließend wurden die PMMA-Nanosäulen-Templates mit dem NanoBeam Limited nB5-System mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV und einem Strahlstrom von 100 pA belichtet. Der Entwicklungsprozess wurde durchgeführt durch Eintauchen der Probe in Methylisobutylketon (MIBK)-Lösung bei 25 °C für 2 Minuten, gefolgt von Spülen in Isopropylalkohol (IPA) für 2 Minuten. Schließlich wurde die Probe unter einem stetigen Strom von N₂ . geföhnt (Abb. 1b-ii). Dann wurden eine Adhäsionsschicht aus Cr (1 nm) und ein Ag-Film (25 nm) durch ein Elektronenstrahlverdampfungssystem abgeschieden (Abb. 1b-iii). Abbildung 1c zeigt die REM-Aufnahmen des letztendlich erhaltenen kreisförmigen Nanodisk-Nanohole-Hybridstruktur-Arrays.

Ergebnisse und Diskussion

Großer Farbraum

Abbildung 2a zeigt eine Palette experimentell reflektierter Farben, die durch Ändern des Durchmessers D . erhalten wurden und Periode P der Nanostruktur-Arrays. Entsprechende Positionen dieser Farben werden im CIE 1931-Farbraum aufgetragen, wie in Fig. 2b gezeigt, was die Fähigkeit zum Erreichen der Haupt-CMY-Farben im Bereich von Cyan über Magenta bis Gelb bestätigt. Das Reflexionsvermögen wird dann unter Verwendung des NOVA-EX-Spektrometers charakterisiert, das auf dem Mikroskopsystem (Olympus-BX53) mit einer Beleuchtungswellenlänge von 400 bis 800 nm entwickelt wurde. Die Reflexionssignale werden von einer Objektivlinse (MPlanFL N, NA =0,9, 100×) gesammelt. Abbildung 2c zeigt die experimentellen Reflexionsspektren der Proben, die Rotverschiebung der Täler als D variiert von 70 bis 110 nm. Darüber hinaus stimmen die simulierten Reflexionsspektren, die mit der Finite-Differenz-Zeitbereichs-(FDTD)-Methode erhalten wurden, die in Abb. 2d gezeigt sind, für dieselben Strukturen qualitativ mit den entsprechenden experimentellen Ergebnissen überein, wobei die Täler mit zunehmendem D<. rot verschoben werden /i> . Es besteht jedoch immer noch ein kleiner Unterschied aufgrund der Form- und Größenabweichungen von der Nanofabrikation, und die Brechungsindizes sowie die Dicken im Experiment können geringfügig von denen in der Simulation abweichen. Die Konturkarten der experimentellen Reflexionsspektren in Abb. 2e, f zeigen, dass der Einfluss der Periode P auf der spektralen Modulation ist ziemlich klein, während der Durchmesser D spielt eine dominante Rolle für die spektrale Kontrolle, was sich von der Situation unterscheidet, in der die Periode der Hauptfaktor ist, über den in anderer allgemeiner Literatur berichtet wird [19,20,21, 33, 36, 37]. Und diese Eigenschaft ermöglicht es, Farben mit nur einer einzigen Nanostruktur zu definieren.

a Aufgezeichnete Farbpalette der reflektierenden subtraktiven Farben als Funktionen der Periode P (von 150 bis 240 nm in Schritten von 10 nm variierend) und Durchmesser D (von 70 bis 140 nm in Schritten von 10 nm variierend). Jedes Palettenquadrat hat eine Größe von 8 × 8 μm ² , und das gesamte Array wird durch ein unpolarisiertes weißes Licht beleuchtet. b CIE1931-Farbtafel überlagert mit den schwarzen Punkten, die den aus a . extrahierten Farben entsprechen . Experimentell (c ) und simuliert (d ) Reflexionsspektren der Nanostruktur-Arrays mit unterschiedlichen geometrischen Parametern. „70–240“ bedeutet beispielsweise D =70 nm, P =240 nm. e Konturkarte der experimentellen Reflexionsspektren als Funktion der einfallenden Wellenlänge und Periode. Der Zeitraum P ändert sich von 180 auf 240 nm, während D . beibehalten wird =100 nm als Konstante. f Experimentelle Reflexionskonturkarte für Nanostruktur-Arrays mit unterschiedlichen Durchmessern, die sich von 70 bis 140 nm bei einer konstanten Periode von 230 nm ändern. Die weißen Sternchen stellen die Positionen der Täler dar (λ _min ), und die weißen gestrichelten Linien beziehen sich auf die angepassten Geraden mit den entsprechenden Tälern

Physischer Mechanismus

Es ist bekannt, dass die optischen Eigenschaften periodischer Nanostrukturen stark vom Abstand zwischen den Nanostrukturen abhängen, insbesondere wenn der Abstand relativ klein ist. Dies liegt daran, dass der mit der Hybridisierung der Dipol- oder höheren multipolaren Plasmonen zwischen Nanostrukturen verbundene Kopplungseffekt zu Variationen der kollektiven Plasmonenenergie führt [26, 42, 43]. Der Kopplungseffekt begrenzt jedoch die Pixelgröße und verursacht manchmal die nicht zu vernachlässigende resonante Peak-Verschiebung oder Peak-Split, was zu einer unerwarteten Farberzeugung führt [17]. Aufgrund der kurzen Ausbreitungsstrecke von kurzreichweitigen Oberflächenplasmonenpolaritonen (SRSPPs) und der kleinen Zerfallslänge von LSPPs wird der Kopplungseffekt mit zunehmendem Abstand schwächer und Wechselwirkungen zwischen benachbarten Nanostrukturen werden vernachlässigbar [23]. Um den Kopplungseffekt zu vermeiden und eine Art Strukturfarbe bis zur Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze zu erreichen, muss daher der Abstand zwischen den Nanopartikeln groß genug sein und die Größe der Elementarzelle sollte kleiner als die beugungsbegrenzte Größe sein .

Um den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismus des Farbfiltereffekts zu analysieren, wurden die Nanostruktur-Arrays mit großen und kleinen Partikelabständen mit der FDTD-Methode analysiert. Abbildung 3 zeigt das simulierte elektrische Feld (|E| ² ) Verteilungsergebnisse bei reflektierenden Tälern bzw. langen einfallenden Wellenlängen von 600  nm. Für die Struktur mit großem Abstand zwischen den Teilchen, egal ob bei kurzer (Abb. 3a) oder langer (Abb. 3b) einfallender Wellenlänge, sind die starken elektrischen Feldintensitätsverteilungen beide lediglich auf die Kanten der Nanoscheiben und Nanolöcher beschränkt. Dies zeigt, dass es fast keine Kopplungs-LSPPs gibt. Im Vergleich dazu zeigt die auf die Ag/Luft-Grenzfläche begrenzte elektrische Feldstärke für die Struktur mit einem kleinen Zwischenteilchenabstand, wie in Fig. 3c gezeigt, dass es den SRSPPs-Kopplungseffekt bei kurzer einfallender Wellenlänge gibt. Und in Fig. 3d veranschaulicht die in der Lücke zwischen Nanoscheiben begrenzte elektrische Feldstärke, dass es bei langen einfallenden Wellenlängen einen starken LSPPs-Kopplungseffekt gibt. Wenn der Abstand klein ist, sind daher sowohl der LSPPs- als auch der SRSPPs-Kopplungseffekt für die Lichtfeldmodulation verantwortlich, während bei der Struktur mit einem größeren Abstand fast kein Kopplungseffekt auftritt.

Verteilung des elektrischen Feldes (|E| ² ) im XZ Ebene für die Struktur mit a , b D =80 nm, P =180 nm und c , d D =160 nm, P =180 nm. a , c Beleuchtet an den Reflexionstälern. b , d Beide beleuchteten bei der langen einfallenden Wellenlänge von 600  nm. Die weißen gestrichelten Linien sind die Grenzen der Ag-Schicht

In unserem Design ist der Abstand zwischen den Teilchen groß genug, um den Kopplungseffekt zu vermeiden, sodass die beobachteten Farben in Abb. 2a hauptsächlich durch die ungekoppelten LSPP-Moden moduliert werden. Die Eigenschaft des LSPP-Modus ist für die Form und Größe der Nanopartikel relevant [44,45,46]; somit wird die Resonanzwellenlänge der entworfenen Struktur hauptsächlich durch die Durchmesser der Nanostruktur (gezeigt in Fig. 2f) gesteuert. Und aufgrund der Entkopplungseffekte bleiben die reflektierenden Täler mit zunehmender Periode fast unverändert, entsprechend den experimentellen Ergebnissen in Abb. 2e.

Polarisationsunabhängigkeit und großer Betrachtungswinkel

Sowohl die Polarisationsunabhängigkeit als auch ein großer Betrachtungswinkel sind für den Farbfilter in Bilderfassungsanwendungen erforderlich. Wenn man bedenkt, dass die runde Form der Nanostruktur entlang der x . symmetrisch ist und y Richtungen kann gefolgert werden, dass die vorgeschlagene Strukturfarbe polarisationsunabhängig ist. Um den Blickwinkeleffekt zu untersuchen, wurden die Reflexionsspektren unter verschiedenen Lichteinfallswinkeln mit der FDTD-Methode analysiert. Das Simulationsmodell basiert auf dem in Abb. 1a gezeigten schematischen Diagramm. Und es wird die Breitband-Fixed-Winkel-Source-Technik (BFAST) verwendet. Die komplexen Brechungsindizes des Materials für Simulationen basieren auf den Daten von Palik in der Materialbibliothek der Software. Die simulierten Ergebnisse für beide p -Polarisation und s -Polarisation in Abb. 4a, b veranschaulichen, dass die Reflexionsspektren mit dem Einfallswinkel bis zu ± 40° nahezu invariant bleiben, was einen großen Betrachtungswinkel demonstriert.

Konturkarte der simulierten winkelaufgelösten Reflexionsspektren für die Struktur mit P =180 nm, D =80 nm unter a p -polarisiert und b s -polarisierte Beleuchtung

Superhohe Auflösung

Aufgrund der entkoppelten LSPPs bietet unser Design eine Art hochaufgelöste Strukturfarbe mit Pixelgröße an der optischen Subbeugungsgrenze. Um das Erreichen einer superhohen Auflösung zu verifizieren, wird ein Satz von Auflösungsteststrukturen hergestellt. Das Schachbrettmuster bestehend aus Nanostrukturen mit 5 × 5, 5 × 4, … , 2 × 1, 1 × 1-Arrays mit einer Größe von P =180 nm und D =80 nm sind in Fig. 5a gezeigt (ein optisches Hellfeld-Mikroskopbild (links) und ein SEM-Bild (rechts)). Wie erwartet, können in Fig. 5a-i die Arrays mit nur einer Nanostruktur immer noch die Farbe Magenta erzeugen, obwohl es sich um ein einzelnes Pixel ohne Periodizität handelt. Das einzelne Magenta-Pixel mit einer Elementarzellenfläche von 180 × 180 nm ² zeigt, dass diese Struktur ein Farbpixel auf einem 180-nm-Raster bilden und eine superhohe Auflösung von ∼ 141.000 dpi erreichen kann.

a Testmuster für die Farbdruckauflösung. b Subwellenlängen-Farbdruck von „Nature“ und „Science“ mit einer Größe von 6 μm × 9 μm. Die Maßstabsbalken sind a -i 1 μm, a -ii 500 nm, b -i 200 nm, b -ii 1 μm und b -iii 500 nm

Die entworfenen Farbpixel für Subwellenlängen-Druckanwendungen werden demonstriert, indem mikroskopische bunte Buchstaben mit einer Pixelauflösung unterhalb der Beugungsgrenze gezeigt werden. Wir haben die Buchstaben „Nature, Science“ mit den entsprechenden Strukturfarben gedruckt, wie in Abb. 5b-ii gezeigt. Abbildung 5b-i, b-iii zeigt die SEM-Bilder der in Abbildung 5b-ii skizzierten Regionen. In Abb. 5b-ii ist der oberste Punkt des Buchstabens „i“ deutlich zu erkennen, was einmal mehr beweist, dass auch eine einzelne Nanostruktur als Farbelement fungieren kann. Diese Funktion führt zu einer Druckauflösung auf der Ebene einer einzelnen Nanostruktur, die eine extrem hohe räumliche Auflösung für Anwendungen in der optischen Datenspeicherung mit hoher Dichte und mikroskaligen Bildern für Sicherheitszwecke bieten könnte.