(a) Immagine SEM inclinata di 30º del modello di array di nanofili di silicio verticale. I raggi dei nanofili variano da 35 nm a 75 nm e la lunghezza del nanofilo è di ~ 1 µm. Lettere S (a sinistra), E, UN, e S (a destra) comprendono ciascuno nanofili con raggi di 70 nm, 60nm, 50nm e 40nm, rispettivamente. (b) Immagine del modello al microscopio ottico in campo chiaro. Il cambiamento graduale del colore si ottiene modificando gradualmente i raggi dei nanofili. (c) Immagine ingrandita dell'area selezionata indicata dal quadrato bianco del pannello b. Ogni punto blu è un singolo nanofilo. (d) Immagine SEM inclinata di 30º del pattern del filtro Bayer. Il modello è costituito da nanofili di silicio verticali con raggi di 45 nm, 50 nanometri, e 65 nm che rappresentano il rosso, blu, e colori verdi, rispettivamente. Riquadro:immagine SEM ingrandita. La barra della scala è 1 µm. (e) Immagine del modello al microscopio ottico in campo chiaro. Ogni nanofilo mostra un colore che può essere controllato mediante un'opportuna scelta del suo raggio. Credito:per gentile concessione di Ken Crozier e Kwanyong Seo, Harvard School of Engineering and Applied Sciences
(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri potrebbero presto cantare, "Laverò via quel grigio dai miei nanofili, " grazie a una colorata scoperta di un team di ricercatori dell'Università di Harvard e Zena Technologies. In contrasto con la cupa tonalità grigia dei wafer di silicio, Kenneth B. Crozier e colleghi hanno dimostrato che l'individuo, i nanofili di silicio verticali possono brillare in tutti i colori dello spettro.
Il display vibrante, in funzione del diametro dei singoli fili, è visibile anche ad occhio nudo. Oltre ad aggiungere un tocco di colore al laboratorio, la scoperta ha il potenziale per l'uso in dispositivi con sensori di immagine su scala nanometrica, offrendo una maggiore efficienza e la capacità di rilevare il colore senza l'uso di filtri.
"È sorprendente, "dice Crozier, John L. Loeb Professore Associato di Scienze Naturali presso la Harvard School of Engineering and Applied Science (SEAS). "Molte persone stanno realizzando nanofili, e davvero non pensi molto al colore. In questa configurazione verticale si possono ottenere effetti cromatici molto forti, e puoi sintonizzarli su una gamma di lunghezze d'onda della regione visibile. Gli effetti forti possono essere visti fino al livello del singolo filo."
Il ritrovamento, pubblicato il 17 marzo 2011, edizione online di Nano Letters, potrebbe essere il primo rapporto sperimentale che i nanofili di silicio possono assumere una varietà di colori a seconda del loro diametro e sotto illuminazione a campo chiaro. Il lavoro precedente ha dimostrato che i nanofili possono assumere colori diversi ma solo guardando sparsi, piuttosto che riflesso direttamente, leggero.
Per creare la matrice multicolore di nanofili di silicio verticali, gli ingegneri di Harvard e Zena Technologies hanno utilizzato una combinazione di litografia a fascio di elettroni e attacco ionico reattivo al plasma accoppiato induttivamente.
Un wafer liscio di silicio è stato inciso al plasma fino a quando tutto ciò che è rimasto sono i nanofili che sporgono verticalmente, simili alle setole di uno spazzolino da denti. Mentre i nanofili sono stati creati in matrici di migliaia per comodità, i colori che esibivano erano dovuti alle proprietà dei singoli fili, non per il modo in cui la luce veniva dispersa o diffratta nel gruppo.
(a) Matrice quadrata di nanofili di silicio verticale. L'estensione complessiva dell'array di nanofili è di 100 µm per 100 µm. Il passo dei nanofili è di 1 µm. Vista dall'alto (b) e vista inclinata di 30° (c) dell'array di nanofili. (d) Vista ingrandita inclinata dell'array di nanofili. I nanofili hanno raggi di 45 nm e sono lunghi 1 µm. Credito:per gentile concessione di Ken Crozier e Kwanyong Seo, Scuola di ingegneria e scienze applicate di Harvard.
"Ogni nanofilo funge da guida d'onda, come una fibra ottica di dimensioni nanometriche, ma otticamente assorbente, " spiega Crozier. "A lunghezze d'onda corte non c'è molto accoppiamento ottico al nanofilo. A lunghe lunghezze d'onda, l'accoppiamento è migliore, ma le proprietà della guida d'onda sono tali che non c'è molto assorbimento. Nel mezzo, esiste una gamma di lunghezze d'onda in cui la luce è accoppiata al nanofilo e assorbita. Questo intervallo è determinato dal diametro del nanofilo. Abbiamo realizzato nanofili con diametri di 90, 100, e 130 nm che appariva rossa, blu e verde, rispettivamente."
Per dimostrare il notevole fenomeno e la relativa facilità di controllo e posizionamento dei nanofili colorati, i ricercatori hanno creato un tributo su scala nanometrica ad Harvard, progettando un modello che ricordasse il sigillo Veritas della scuola di ingegneria e scrivendo l'acronimo SEAS in un arcobaleno di colori.
Mentre l'immagine di Harvard corrispondeva da vicino al sigillo della scuola, il colore desiderato sfuggeva agli ingegneri.
"In realtà volevamo rendere il sigillo rosso anziché blu, ma si è scoperto che il diametro era un po' sbagliato, "dice Crozier.
Poiché anche piccoli cambiamenti nel raggio di un filo possono alterare il colore, il sigillo si è rivelato blu, più adatto per il famoso sigillo di un'altra istituzione della Ivy League.
Fortunatamente, la tecnologia ha altre applicazioni promettenti. L'obiettivo finale dei ricercatori è utilizzare i fili nei sensori di immagine. I fotorilevatori tradizionali nei dispositivi con sensore di immagine possono misurare l'intensità della luce ma non determinarne il colore senza l'uso di un filtro aggiuntivo, che disperde gran parte della luce, limitando la sensibilità del dispositivo.
I ricercatori sperano di risolvere questo problema fabbricando nanofili verticali contenenti fotorivelatori al di sopra dei fotorivelatori standard formati su un wafer di silicio. I nanofili e i fotorivelatori standard potrebbero rilevare ciascuno una parte diversa dello spettro della luce incidente. Confrontando i segnali di ciascuno, il colore potrebbe essere determinato senza perdere così tanto della luce.
"Con i sensori di immagine, ogni piccola parte di efficienza conta. Inoltre, immaginiamo persino di usare i fili colorati per codificare i dati in un tipo di memorizzazione delle informazioni di sola lettura, "aggiunge Crozier.
