(Phys.org) – TV-apparater, bildsensorer, iPads, digitalkameror och andra moderna enheter använder filter för att visa bredden av tillgängliga färger i den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet.

Konventionella färgfilter är vanligtvis gjorda av organiska färgämnen eller kemikalier, men de kan skadas av värme och ultraviolett strålning (UVR), och de är komplicerade och dyra att tillverka, speciellt för miniatyrkameror och bildapparater.

Av dessa anledningar, säger Beibei Zeng, ingenjörer vänder sig till plasmoniska färgfilter (PCF), som är baserade på ytplasmoner, eller den kollektiva oscillationen av elektroner vid metall/dielektriska gränssnitt. Dessa filter tillverkas genom tillverkning, på en tunn metallfilm, uppsättningar av hål med diametrar på 100 nanometer eller mindre (1 nm motsvarar en miljarddels meter).

Genom att variera geometrin hos dessa nanohål – deras diameter, form, periodicitet och mönster – det är möjligt att kontrollera färgerna som sänds och att skapa ett brett spektrum av färger för bildbehandling.

"PCF har många fördelar, säger Zeng, som är doktorand. kandidat inom elektroteknik. "De är enkla att göra och de är lätta att trimma över ett brett spektrum av färger. Dessutom, de är mycket stabila och de är inte känsliga för skador från värme, luftfuktighet eller UVR."

I deras nuvarande utvecklingsläge, dock, PCF:er har en stor nackdel:effektiviteten med vilken de överför ljus är bara cirka 30 procent – ​​mindre än hälften av hastigheten på 80 procent transmissionseffektivitet som uppnås med konventionella färgfilter.

Zeng leder ett forskarteam från Lehigh som har utvecklat ett nytt PCF-schema som uppnår en överföringseffektivitet på 60 till 70 procent. Metoden bygger på en subtraktiv filtreringsmetod som skiljer sig fundamentalt från de additiva filter som vanligtvis används i PCF.

Gruppen rapporterade nyligen sina resultat i en artikel med titeln "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters, " som publicerades av Vetenskapliga rapporter , en publikation av Naturgruppen. Tidningen skrevs av Zeng; Filbert J. Bartoli, institutionsordförande och professor i el- och datateknik samt Zengs rådgivare; och Yongkang Gao, som nyligen avslutade sin Ph.D. i elektroteknik på Lehigh.

Dra nytta av framsteg inom nanotillverkning

Subtraktiva färgfilter (SCF) används ofta i bildsensorer, säger Zeng. De har fördelar jämfört med additiv färgfilter (ACF) i färgsignalstyrka och ljustransmission, men forskare har ännu inte kunnat producera högpresterande plasmoniska SCF.

Zengs grupp visade att den kunde öka effektiviteten hos plasmoniska SCF:er i en studie som kombinerade teoretisk design, simulering, tillverkning med fokuserad jonstrålelitografi, och experimentell demonstration.

"Vi har turen på Lehigh som har bred tvärvetenskaplig forskningskapacitet, " säger Zeng. "Efter att vi har gjort teoretiskt arbete, vi tillverkar enheter och genomför sedan experiment som talar om för oss om enheterna kommer att fungera eller inte."

Det teoretiska arbetet och simuleringen hjälpte hans grupp att klargöra den underliggande fysiken i vad Zeng kallar det "kontraintuitiva" fenomenet extraordinär låg transmission (ELT) i ultratunna nanomönsterformade metallfilmer. Rapporterade relativt nyligen, ELT anses av forskare lova utvecklingen av nya polarisationsfilter.

Zengs grupp utforskade ELT på en 30 nm tjock silverfilm mönstrad med endimensionella nanogratings och uppnådde subtraktiv färgfiltrering med en överföringseffektivitet på upp till 70 procent. De kunde generera cyan, magenta och gula färger genom att ta bort deras komplementära komponenter (röd, blå och grön) från den synliga delen av det elektromagnetiska spektrumet.

De senaste framstegen inom nanotillverkning, säger Zeng, gjorde det möjligt för hans grupp att arbeta med de ultratunna filmerna, som är nästan en storleksordning tunnare än de 200 nm tjocka filmerna på vilka additiv PCF vanligtvis etsas. Mönstring av de ultratunna silvermetallfilmerna har orsakat kritiska förändringar i deras fysikaliska och optiska egenskaper och gjort det möjligt för gruppen att avsevärt öka transmissionseffektiviteten för plasmoniska SCF.

"Den relativa tunnheten hos våra filter orsakar en koppling i de elektromagnetiska resonanserna i toppen och botten av metallytan, " säger Zeng. "Detta händer inte med tjockare metallfilmer. Utan denna koppling, en transmissionstopp inträffar; med det, toppen blir en dal och orsakar en transmissionsdipp.

"Vi kan kontrollera denna transmissionsdipp genom att ställa in dimensionerna på nanostrukturerna på metallfilmen. För bara några år sedan, vi kunde inte tillverka så tunna strukturer. Nu kan vi tillverka nanostrukturer systematiskt och uppnå fin kontroll av färgerna som överförs genom de nanostrukturerade filmerna."

Förutom att uppnå överföringseffektivitet som närmar sig den för kommersiella bildsensorer, de plasmoniska SCF:erna ökar rumslig upplösning genom att ge ultrakompakta pixelstorlekar, som krävs i högupplösta TV-apparater och i de senaste smartphones. Detta inträffar på grund av kortdistansinteraktionerna mellan ytplasmonpolaritonerna (SPP) mellan angränsande nanostrukturer vid ELT-resonanser.

Denna polarisationsberoende färgfiltrering, gruppen skriver in Vetenskapliga rapporter , ger 1-D plasmoniska SCF:er potentialen att "fungera som transparenta fönster under tvärgående elektrisk polarisering" och gör dem "mycket attraktiva" för nästa generations transparenta skärmar.

"Dessa unika polarisationsberoende funktioner tillåter samma strukturer att fungera antingen som färgfilter eller mycket genomskinliga fönster under olika polarisationer, öppnar en väg mot högupplösta transparenta skärmar."

"Nuvarande transparenta skärmar är för närvarande begränsade av deras låga rumsliga upplösning och dåliga färgomfång, " säger Zeng. "Vårt arbete med plasmoniska SCF har löst båda problemen. Vi kan få vilken färg vi vill och med mycket hög upplösning på grund av våra ultrakompakta pixelstorlekar."

Gruppens tidning har laddats ner mer än 1, 300 gånger sedan den publicerades i oktober, och det citerades nyligen i en artikel publicerad av Nanobokstäver .