(Phys.org) —TV, sensori di immagine, iPad, le fotocamere digitali e altri dispositivi moderni utilizzano filtri per visualizzare l'ampiezza dei colori disponibili nella porzione visibile dello spettro elettromagnetico.

I filtri colorati convenzionali sono in genere costituiti da coloranti organici o sostanze chimiche, ma possono essere danneggiati dal calore e dalle radiazioni ultraviolette (UVR), e sono complicati e costosi da fabbricare, soprattutto per fotocamere e imager in miniatura.

Per queste ragioni, dice Beibei Zeng, gli ingegneri si stanno rivolgendo ai filtri colorati plasmonici (PCF), che si basano su plasmoni di superficie, o l'oscillazione collettiva degli elettroni alle interfacce metallo/dielettrico. Questi filtri sono realizzati fabbricando, su un sottile film metallico, matrici di fori con diametri di 100 nanometri o meno (1 nm equivale a un miliardesimo di metro).

Variando la geometria di questi nanofori, il loro diametro, forma, periodicità e pattern:è possibile controllare i colori trasmessi e creare un ampio spettro di colori per le applicazioni di imaging.

"I PCF hanno molti vantaggi, "dice Zeng, chi è un dottorato di ricerca candidato in elettrotecnica. "Sono semplici da realizzare e si adattano facilmente a un'ampia gamma di colori. Inoltre, sono molto stabili e non sono vulnerabili ai danni da calore, umidità o UVR."

Nel loro attuale stato di sviluppo, però, I PCF hanno un grosso svantaggio:l'efficienza con cui trasmettono la luce è solo del 30% circa, meno della metà dell'80% dell'efficienza di trasmissione raggiunta dai filtri colorati convenzionali.

Zeng guida un team di ricerca Lehigh che ha sviluppato un nuovo schema PCF che raggiunge un'efficienza di trasmissione dal 60 al 70 percento. Il metodo si basa su un approccio di filtraggio sottrattivo che differisce fondamentalmente dai filtri additivi tipicamente impiegati nei PCF.

Il gruppo ha recentemente riportato i suoi risultati in un articolo intitolato "Metalli ultrasottili nanostrutturati per filtri colorati sottrattivi plasmonici altamente trasmissivi, " che è stato pubblicato da Rapporti scientifici , una pubblicazione del gruppo Nature. Il documento è stato scritto da Zeng; Nocciola J. Bartoli, presidente del dipartimento e professore di ingegneria elettrica e informatica e consigliere di Zeng; e Yongkang Gao, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. in ingegneria elettrica a Lehigh.

Sfruttare i progressi nella nanofabbricazione

I filtri colorati sottrattivi (SCF) sono ampiamente utilizzati nei sensori di immagine, dice Zeng. Presentano vantaggi rispetto ai filtri colorati additivi (ACF) nella potenza del segnale del colore e nella trasmissione della luce, ma i ricercatori non sono ancora stati in grado di produrre SCF plasmonici ad alte prestazioni.

Il gruppo di Zeng ha dimostrato di essere in grado di aumentare l'efficienza degli SCF plasmonici in uno studio che combinava progettazione teorica, simulazione, fabbricazione mediante litografia a fascio ionico focalizzato, e dimostrazione sperimentale.

"Siamo fortunati a Lehigh ad avere ampie capacità di ricerca interdisciplinare, " dice Zeng. "Dopo aver svolto il lavoro teorico, fabbrichiamo dispositivi e poi conduciamo esperimenti che ci dicono se i dispositivi funzioneranno o meno".

Il lavoro teorico e la simulazione hanno aiutato il suo gruppo a chiarire la fisica alla base di ciò che Zeng chiama il fenomeno "contro-intuitivo" della trasmissione straordinariamente bassa (ELT) in pellicole metalliche ultrasottili nanomodellate. Segnalato in tempi relativamente recenti, I ricercatori ritengono che l'ELT sia promettente per lo sviluppo di nuovi filtri di polarizzazione.

Il gruppo di Zeng ha esplorato l'ELT su un film d'argento spesso 30 nm modellato con nanoreticoli unidimensionali e ha ottenuto un filtraggio del colore sottrattivo con un'efficienza di trasmissione fino al 70%. Sono stati in grado di generare ciano, magenta e giallo rimuovendo i loro componenti complementari (rosso, blu e verde) dalla porzione visibile dello spettro elettromagnetico.

I recenti progressi nella nanofabbricazione, dice Zeng, ha permesso al suo gruppo di lavorare con i film ultrasottili, che sono quasi un ordine di grandezza più sottili dei film di 200 nm di spessore su cui sono tipicamente incisi i PCF additivi. La modellazione dei film ultrasottili di metallo argentato ha causato cambiamenti critici nelle loro proprietà fisiche e ottiche e ha permesso al gruppo di aumentare significativamente l'efficienza di trasmissione degli SCF plasmonici.

"La relativa sottigliezza dei nostri filtri provoca un accoppiamento delle risonanze elettromagnetiche nella parte superiore e inferiore della superficie metallica, " dice Zeng. "Questo non si verifica con pellicole metalliche più spesse. Senza questo accoppiamento, si verifica un picco di trasmissione; con esso, il picco diventa una valle e provoca un tuffo di trasmissione.

"Possiamo controllare questo calo di trasmissione sintonizzando le dimensioni delle nanostrutture sul film metallico. Solo pochi anni fa, non potremmo fabbricare strutture così sottili. Ora possiamo fabbricare sistematicamente nanostrutture e ottenere un controllo accurato dei colori trasmessi attraverso i film nanostrutturati".

Oltre a raggiungere un'efficienza di trasmissione che si avvicina a quella dei sensori di immagine commerciali, gli SCF plasmonici aumentano la risoluzione spaziale producendo dimensioni di pixel ultracompatte, che sono richiesti nei televisori ad alta definizione e negli ultimi smartphone. Ciò si verifica a causa delle interazioni a corto raggio dei polaritoni plasmonici di superficie (SPP) tra le nanostrutture vicine alle risonanze ELT.

Questo filtraggio del colore dipendente dalla polarizzazione, il gruppo scrive in Rapporti scientifici , offre agli SCF plasmonici 1D il potenziale per "funzionare come finestre trasparenti sotto polarizzazione elettrica trasversale" e li rende "altamente attraenti" per i display trasparenti di prossima generazione.

"Queste caratteristiche uniche dipendenti dalla polarizzazione consentono alle stesse strutture di funzionare come filtri colorati o finestre altamente trasparenti sotto diverse polarizzazioni, aprendo una strada verso display trasparenti ad alta definizione."

"Gli attuali display trasparenti sono attualmente limitati dalla loro bassa risoluzione spaziale e dalla scarsa gamma di colori, " dice Zeng. "Il nostro lavoro con gli SCF plasmonici ha risolto entrambi i problemi. Possiamo ottenere qualsiasi colore desideriamo e con una risoluzione molto elevata grazie alle nostre dimensioni di pixel ultracompatte".

Il paper del gruppo è stato scaricato più di 1, 300 volte da quando è stato pubblicato in ottobre, ed è stato recentemente citato in un articolo pubblicato da Nano lettere .