(Phys.org) —Téléviseurs, capteurs d'images, iPad, les appareils photo numériques et autres appareils modernes utilisent des filtres pour afficher l'étendue des couleurs disponibles dans la partie visible du spectre électromagnétique.

Les filtres de couleur conventionnels sont généralement constitués de colorants organiques ou de produits chimiques, mais ils peuvent être endommagés par la chaleur et le rayonnement ultraviolet (UVR), et ils sont compliqués et coûteux à fabriquer, en particulier pour les caméras et imageurs miniatures.

Pour ces raisons, dit Beibei Zeng, les ingénieurs se tournent vers les filtres de couleur plasmoniques (PCF), qui sont basés sur des plasmons de surface, ou l'oscillation collective des électrons aux interfaces métal/diélectrique. Ces filtres sont fabriqués en fabriquant, sur un film métallique mince, des réseaux de trous d'un diamètre de 100 nanomètres ou moins (1 nm équivaut à un milliardième de mètre).

En faisant varier la géométrie de ces nanotrous, leur diamètre, forme, périodicité et motif :il est possible de contrôler les couleurs transmises et de créer un large spectre de couleurs transmises pour les applications d'imagerie.

"Les PCF ont de nombreux avantages, " dit Zeng, qui est un doctorat. candidat en génie électrique. "Ils sont simples à fabriquer et ils s'accordent facilement sur une large gamme de couleurs. De plus, ils sont très stables et ne sont pas vulnérables aux dommages causés par la chaleur, l'humidité ou les rayons UV."

Dans leur état actuel de développement, cependant, Les PCF ont un inconvénient majeur :l'efficacité avec laquelle ils transmettent la lumière n'est que d'environ 30 %, soit moins de la moitié du taux d'efficacité de transmission de 80 % atteint par les filtres de couleur conventionnels.

Zeng dirige une équipe de recherche Lehigh qui a développé un nouveau schéma PCF qui atteint une efficacité de transmission de 60 à 70 %. La méthode repose sur une approche de filtrage soustractif qui diffère fondamentalement des filtres additifs généralement utilisés dans les PCF.

Le groupe a récemment publié ses résultats dans un article intitulé « Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters, " qui a été publié par Rapports scientifiques , une publication du groupe Nature. Le papier a été écrit par Zeng; Filbert J. Bartoli, directeur du département et professeur de génie électrique et informatique et conseiller de Zeng; et Yongkang Gao, qui a récemment terminé son doctorat. en génie électrique à Lehigh.

Capitaliser sur les avancées de la nanofabrication

Les filtres de couleur soustractifs (SCF) sont largement utilisés dans les capteurs d'images, dit Zeng. Ils présentent des avantages par rapport aux filtres de couleur additifs (ACF) en termes d'intensité du signal de couleur et de transmission de la lumière, mais les chercheurs n'ont pas encore été en mesure de produire des SCF plasmoniques de haute performance.

Le groupe de Zeng a démontré qu'il était capable d'augmenter l'efficacité des SCF plasmoniques dans une étude qui combinait la conception théorique, simulation, fabrication par lithographie par faisceau d'ions focalisés, et démonstration expérimentale.

« Nous avons la chance à Lehigh d'avoir de vastes capacités de recherche interdisciplinaire, " dit Zeng. " Après avoir fait le travail théorique, nous fabriquons des appareils et menons ensuite des expériences qui nous disent si les appareils fonctionneront ou non. »

Le travail théorique et la simulation ont aidé son groupe à clarifier la physique sous-jacente de ce que Zeng appelle le phénomène "contre-intuitif" de transmission extrêmement faible (ELT) dans les films métalliques ultrafins à nanomotifs. Rapporté relativement récemment, L'ELT est considéré par les chercheurs comme prometteur pour le développement de nouveaux filtres de polarisation.

Le groupe de Zeng a exploré l'ELT sur un film d'argent de 30 nm d'épaisseur à motifs de nanoréseaux unidimensionnels et a obtenu un filtrage de couleur soustractif avec une efficacité de transmission allant jusqu'à 70 %. Ils ont pu générer du cyan, couleurs magenta et jaune en supprimant leurs composants complémentaires (rouge, bleu et vert) de la partie visible du spectre électromagnétique.

Avancées récentes en nanofabrication, dit Zeng, permis à son groupe de travailler avec les films ultrafins, qui sont presque un ordre de grandeur plus minces que les films de 200 nm d'épaisseur sur lesquels les PCF additifs sont généralement gravés. La structuration des films métalliques d'argent ultrafins a provoqué des changements critiques dans leurs propriétés physiques et optiques et a permis au groupe d'augmenter considérablement l'efficacité de transmission des SCF plasmoniques.

« La relative finesse de nos filtres provoque un couplage des résonances électromagnétiques en haut et en bas de la surface métallique, " dit Zeng. " Cela ne se produit pas avec des films métalliques plus épais. Sans ce couplage, un pic de transmission se produit; avec ça, le pic devient une vallée et provoque un creux de transmission.

"Nous pouvons contrôler ce creux de transmission en ajustant les dimensions des nanostructures sur le film métallique. Il y a quelques années à peine, nous ne pouvions pas fabriquer des structures aussi minces. Maintenant, nous pouvons fabriquer des nanostructures systématiquement et obtenir un contrôle fin des couleurs transmises à travers les films nanostructurés. »

En plus d'atteindre une efficacité de transmission approchant celle des capteurs d'images commerciaux, les SCF plasmoniques améliorent la résolution spatiale en produisant des tailles de pixels ultracompactes, qui sont requis dans les téléviseurs haute définition et dans les derniers smartphones. Cela se produit en raison des interactions à courte portée des polaritons de plasmon de surface (SPP) entre les nanostructures voisines aux résonances ELT.

Ce filtrage de couleur dépendant de la polarisation, le groupe écrit Rapports scientifiques , donne aux SCF plasmoniques 1-D le potentiel de « fonctionner comme des fenêtres transparentes sous polarisation électrique transversale » et les rend « très attrayants » pour les écrans transparents de prochaine génération.

"Ces caractéristiques uniques dépendantes de la polarisation permettent aux mêmes structures de fonctionner soit comme des filtres de couleur, soit comme des fenêtres hautement transparentes sous différentes polarisations, ouvrant une voie vers des écrans transparents haute définition."

« Les écrans transparents actuels sont actuellement limités par leur faible résolution spatiale et leur faible gamme de couleurs, " dit Zeng. "Notre travail avec les SCF plasmoniques a résolu les deux problèmes. Nous pouvons obtenir n'importe quelle couleur que nous voulons et avec une très haute résolution grâce à nos tailles de pixels ultracompactes."

Le papier du groupe a été téléchargé plus de 1, 300 fois depuis sa parution en octobre, et il a été récemment cité dans un article publié par Lettres nano .