나노다공성 금속-유전체-금속 구성을 활용한 대면적 구조적 색상 필터링

방법/실험

제안된 대면적 컬러 필터링 방식 설계

본 연구에서는 플라즈몬 효과와 함께 FP 공명을 지원할 수 있는 나노다공성 MDM 공진 구성을 활용하여 대면적 적용을 위한 고효율 컬러 필터링 기법을 개발하는 것을 목표로 합니다. 그림 1a는 NAA 필름이 광학적으로 두꺼운 Al 기판과 상단의 얇은 Al 층 사이에 끼워져 있는 제안된 MDM 구조 기반 컬러 필터링 장치의 개략적인 구성을 보여줍니다. NAA와 상부 Al 층의 두께는 t로 표시됩니다. ₁ 그리고 t ₂ , 각각. 나노 다공성 구조의 제조를 위해 NAA 필름은 복잡하고 고가의 전자빔 리소그래피에 의존하는 기존의 접근 방식이 아닌 간단한 양극 산화 공정을 통해 Al 플레이트에서 유래한 자체 조립 다공성 구조입니다. 그림 1b와 같이 NAA 필름은 직경 d의 기공의 육각 격자로 구성됩니다. 인접한 두 기공 사이의 간격은 Ʌ로 표시됩니다. . 두 기공 사이의 간격이 관심 파장에 비해 충분히 작을 때 상부 Al 코팅과 NAA 필름을 포함하는 나노다공성 층이 준 균질한 매질로 거동합니다. 따라서 Ʌ 그리고 d 각각 100 및 65nm로 효과적인 매질 이론은 이러한 나노다공성 구조의 특성을 설명하기 위해 일반적으로 사용되어 왔습니다[34, 35].

아 대면적 컬러 필터링을 위해 Al 기판 위에 Al 코팅된 NAA 필름을 기반으로 제안된 구조의 개략도. ㄴ 나노포어의 육각 격자가 있는 NAA 필름의 평면도

FP 공진이 활성화된 비대칭 MDM 구조의 경우 상단 공기-Al 계면에서 직접 반사된 빛과 NAA 내부의 공진 결합된 빛 사이에 분해 간섭이 발생할 때 반사 딥에 해당하는 공진 시 반사가 강력하게 억제됩니다. 공동. 연속층 기반의 기존 MDM 구조[12,13,14]와 달리 제안된 나노다공성 구조는 유전체 공동의 두께를 변경할 뿐만 아니라 기공 직경 또는 간극을 변경하여 반사 색상을 조정할 것으로 예상됩니다[28, 29]. 더 중요하게, 제안된 구조는 상부의 나노다공성 Al 층으로 인해 FP 공명 외에도 강력한 플라즈몬 효과를 가능하게 하여 제안된 구조의 흡수를 효율적으로 강화할 수 있다. 제안된 구조는 FDTD 방법을 기반으로 하는 도구를 사용하여 신중하게 설계되고 평가됩니다. 시뮬레이션에 사용된 재료의 분산 특성은 도구에서 제공하는 내장된 다중 계수 모델에서 파생됩니다. 단순화를 위해 그림 1b에서 빨간색 점선 상자로 표시된 시뮬레이션 영역은 단위 구조만 포함하고 x에 주기적인 경계가 적용됩니다. 그리고 y 축. 메쉬 정확도가 3인 기본 자동 불균일 메쉬 미세 조정은 전체 시뮬레이션 영역에 대해 설정됩니다. 이 설정은 정확도와 시뮬레이션 시간 간의 적절한 균형을 보장합니다. 평면파는 광원 역할을 합니다. 우리는 고순도 색상을 생성하기 위해 거의 0에 가까운 반사 딥을 얻기 위해 일련의 시뮬레이션을 통해 상단 Al 코팅의 두께를 15nm로 설정했습니다. 그런 다음 그림 2a와 같이 NAA 캐비티의 두께에 따른 스펙트럼 조정 가능성을 조사합니다. NAA 두께 t로 ₂ 110~180nm에서 다양하고 공명 파장은 465~670nm에서 약간 적색 편이되어 전체 가시 스펙트럼 대역을 덮습니다. NAA의 두께가 더 두꺼워지면 공명 딥은 결국 근적외선 대역으로 들어간다. 한편, NAA 두께가 250~320nm인 자외선 대역에서 가시광선 대역까지 대역폭이 비교적 좁은 고차 공명 딥이 나타납니다. 고순도의 생생한 반사 색상을 생성하려면 가시 대역에서 단일 공명 딥이 필요하다는 점에 유의해야 합니다. 제안된 구조의 색 순도를 추정하기 위해 반사 스펙트럼에 해당하는 색도 좌표가 계산되어 그림 2b에 표시된 것처럼 표준 국제 조명 위원회(CIE) 1931 색도 다이어그램에 매핑됩니다. 색도 좌표는 NAA의 두께가 증가함에 따라 검은색 화살표를 따라 진화하는 것으로 관찰됩니다. 특히, NAA 두께가 110nm에서 180nm로 증가함에 따른 색도 좌표의 원형 궤적은 제안하는 방식이 NAA 두께의 간단한 조정을 통해 생생한 풀 컬러를 구현할 수 있음을 나타냅니다. 그림 3은 t의 다양한 공동 두께를 가진 제안된 구조의 편광 종속 반사 스펙트럼을 보여줍니다. ₂ =110, 160, 320nm 입사광의 편광각이 0°에서 90°까지 변화함에 따라 공진 파장 및 반사 효율 측면에서 동일한 반사 스펙트럼이 유지되는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 제안된 구조는 제안 구조의 대칭 기하학에 기인하는 편극 독립 속성을 가능하게 하는 것으로 간주된다.

아 NAA 두께가 110~320nm인 제안된 색상 필터링 구조의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼 응답. ㄴ CIE 1931 색도 다이어그램의 해당 색도 좌표

입사 편광에 대한 제안된 구조의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼

색상 필터링 장치 제작

제안된 색상 필터링 기법을 평가하기 위해 다음과 같은 제작 과정을 통해 NAA 두께가 다른 3개의 샘플을 제작하였다. 상업적인 고순도(99.999%) Al 호일은 처음에 아세톤으로 탈지한 다음 아도니제이션 전에 다른 전처리 없이 이소프로필 알코올과 탈이온수로 세척했습니다. 준비된 Al 호일을 정사각형으로 절단하여 양극 산화 과정에서 유효 면적이 2cm × 2 cm인 자체 제작 홀더에 넣었습니다. 전해액 용기는 총 부피가 4 L인 투명한 비이커였다. 본 실험에서는 2단계 양극산화 공정을 순차적으로 구현하였다. 첫 번째 단계에서는 Al 호일 정사각형 조각을 실온에서 30분 동안 40V의 일정한 양극 산화 전압 하에서 0.3M 옥살산에 침지하여 양극 산화를 수행했습니다. 그 후, 양극 산화된 시편은 6.0wt% H₃ 혼합물에 침지되었습니다. PO₄ 및 1.8wt% H₂ CrO₄ 산화층 제거를 위해 60°C에서 5시간 동안 두 번째 단계에서는 첫 번째 단계에서 사용한 것과 동일한 실험 조건으로 양극 산화 처리를 수행했습니다. 그 결과, 원래의 Al 호일 조각의 부분적으로 양극산화 처리된 부분이 잘 정의된 직선 기공을 가진 NAA 필름으로 변형되었습니다. 원하지 않는 광학적으로 두꺼운 알루미나 층이 두 번째 양극산화 단계 동안 Al의 산화로 인해 밑에 있는 Al 호일의 상단에 있는 기공 내에 형성되었습니다. 기공 내의 원하지 않는 알루미나 층을 완전히 제거하기 위해 양극 산화된 샘플을 6.0wt% H₃에 용해했습니다. PO₄ 60°C에서 10분 동안 마지막으로 양극 산화 시간을 정확하게 제어하여 110, 160, 320nm의 서로 다른 NAA 두께를 가진 3개의 샘플을 준비했습니다. 제작된 NAA 샘플의 평면도와 단면도는 그림 4a에 나와 있으며, 잘 형성된 기공과 높은 주기성을 가진 만족스러운 나노다공성 구조를 나타냅니다. 준비된 샘플에 대해 두 개의 인접한 기공 사이의 기공 직경과 간격을 측정하여 d =65nm 및 Ʌ =각각 100nm입니다. 그 다음, 베이스 압력 6.7 × 10 ^-5 하에서 스퍼터링 증착을 통해 준비된 NAA 필름 상부에 Al 코팅층을 증착하였다. 260초 동안 Pa 및 2.0kW 직류 전력. 특히, 증착된 Al 층의 두께 정확도를 보장하기 위해 0.5Å/s의 최소 증착 속도가 선택되었습니다. 그림 4b는 상부에 얇은 Al 코팅층이 있는 제조된 컬러 필터링 장치의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지의 평면도를 보여줍니다. 증착된 Al 층의 두께는 t로 측정되었습니다. ₁ =16nm로 설계 두께에 가깝습니다.

아 t 두께가 다른 제조된 NAA 필름의 SEM 이미지의 평면도 및 단면도 ₂ =각각 110, 160, 320nm입니다. ㄴ Al 코팅된 NAA 필름을 기반으로 제안된 구조의 SEM 이미지의 평면도

준비된 색상 필터링 장치의 광학적 특성화

준비된 각 샘플의 광학 성능은 반사 색상 및 스펙트럼 응답과 관련하여 철저히 평가되었습니다. 그림 5a는 2cm × 2cm의 큰 치수로 제조된 샘플의 수직 입사에서 측정된 반사 색상을 보여줍니다. 노란색, 청록색 및 마젠타색의 생생한 기본 감산 색상이 관찰되었으며 제안된 색상 필터링 방식이 매우 향상된 색상 순도로 ​​전체 색상 생성을 렌더링할 수 있음을 확인했습니다. 달성된 고순도에 대한 더 나은 이해를 위해 광원 역할을 하는 할로겐 램프, 빔 스플리터 및 분광계를 포함하는 맞춤형 실험 설정을 구현하여 준비된 샘플의 반사 스펙트럼을 측정했습니다. 그림 5b, c는 시뮬레이션된 반사 스펙트럼과 함께 측정된 반사 스펙트럼을 참조로 보여줍니다. 여기서 공명 파장 및 반사 스펙트럼의 모양과 관련하여 실험과 시뮬레이션 간에 좋은 상관 관계가 관찰되었습니다. 스펙트럼 대역폭과 반사 효율의 작은 불일치는 Al-NAA 인터페이스의 거칠기 및 기공의 일관성 없는 주기성 및 크기를 포함하여 설계와 관련하여 제조의 불완전성에 기인할 수 있으며, 이는 그림 4에서 쉽게 관찰할 수 있습니다. 4. NAA 두께가 110, 160, 320nm인 제작된 샘플은 각각 484, 614, 539nm의 파장에서 거의 0에 가까운 공명 강하를 보였고 실제로 최대 73%. 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼에 해당하는 색도 좌표는 그림 5d에 표시된 것처럼 CIE 1931 색도 다이어그램에 계산되고 표시됩니다. 그림 5a에서 관찰된 고순도 반사 색상은 달성된 높은 반사 효율과 제로에 가까운 반사 딥의 이점을 확인했습니다.

아 t의 NAA 두께가 다른 제조 장치에서 수직 입사각에서 캡처한 광학 컬러 이미지 ₂ =110, 160, 320nm ㄴ 시뮬레이션 및 (c ) 제조된 장치의 측정된 반사 스펙트럼. d 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼에 대한 CIE 1931 색도 다이어그램의 해당 색도 좌표

결과 및 토론

플라즈몬 효과 조사

나노 다공성 Al 층에 의해 가능한 플라즈몬 효과를 조사하기 위해 우리는 NAA 캐비티를 유효 굴절률을 나타내는 동등한 균일 캐비티로 교체하여 제안된 구조를 철저히 조사했습니다. 효과적인 매질 이론에 따라 기공 간극이 100nm이고 기공 직경이 65nm인 NAA 캐비티의 유효 굴절률은 n으로 유도됩니다. _에프 =~ 1.48, 다음과 같이 표현된 방정식에 따라:

$$ \left({n^2}_{\mathrm{eff}}-{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)/\left( {n^2}_{\mathrm{eff}}+2{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)={f}_{\mathrm {공기}}\left(1-{n^2}_{{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right)/\left(1+2{n^2}_{ {\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3}\right). $$ (1)

여기서, 알루미나의 굴절률(Al₂ O₃ )은 n입니다. _Al2O3 =1.77이고 NAA 공동 내 공기의 충전 비율은 \( {f}_{\mathrm{air}}=\pi {\left(d/\Lambda \right)}^2/2\sqrt{3}입니다. \). 그림 6a는 n이 있는 NAA 캐비티와 균질 캐비티 기반 구조 간의 반사 스펙트럼 비교를 보여줍니다. _에프 t의 다양한 캐비티 두께에 대해 1.48 ₂ =110, 160, 320nm 두 경우 사이에 좋은 상관 관계를 관찰할 수 있으며 제안된 구조가 유효 지수가 1.48인 균일한 공동을 기반으로 하는 구조와 안전하게 동등할 수 있음을 나타냅니다. 균일한 공동을 기반으로 하는 등가 구조의 경우 상단 Al 층 내의 기공이 반사 스펙트럼에 미치는 영향이 그림 6b에 나와 있습니다. 상부 Al 층에 기공이 없는 경우와 비교하여 제안된 구조는 기공 직경이 d인 상부 Al 층으로 구성됨 =65 nm는 공명에서 흡수를 강력하게 향상시킬 수 있습니다. 공명 파장에서 관찰된 명확한 적색편이는 플라즈몬 효과의 결과와 상부 Al 층에서 반사의 변화된 위상 편이에 기인할 수 있습니다. 상부 Al 층에 도입된 기공이 플라즈몬 효과를 통해 관찰된 흡수 향상으로 이어지는지 여부를 확인하기 위해 전기장(|E |) x의 공명 프로파일 –z 그림 6c와 같이 상단 Al 층에 기공이 있는 경우와 없는 경우의 두 가지 경우에 대한 평면입니다. 비다공성 Al 층이 있는 구조에서는 MDM 구조가 지원하는 FP 공진으로 인해 559nm의 공진 파장에서 공동 내에서 강한 전계 향상이 관찰될 수 있음에도 불구하고 빛의 일부가 여전히 반사됩니다. 다공성 상부 Al 층을 갖는 구조의 경우, 622 nm의 공명 파장에서 플라즈몬 효과를 통해 상부 Al 층의 캐비티 뿐만 아니라 공극 내부에서도 전계 강화가 관찰됨을 관찰할 수 있다. 결과적으로, 빛은 그림 6b에 표시된 거의 0에 가까운 반사 딥에 해당하는 제안된 구조 내에서 거의 완전히 제한됩니다.

<그림>

아 NAA 캐비티에 기반한 제안된 구조의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼과 유효 굴절률(n _에프 ) t의 다양한 캐비티 두께에 대해 ₂ =110, 160, 320nm ㄴ 기공이 없고 기공이 있는 상부 Al 층을 포함하는 구조의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼(d =65nm)

알루미늄 산화의 영향

특히, 상온에서 Al의 공기 산화로 인해 Al 표면에 0.5~4nm 두께의 알루미나층이 자발적으로 형성되었다[36, 37]. 안정적인 부동태층 역할을 하는 알루미나층은 Al을 추가 산화로부터 보호할 수 있습니다. 이러한 상황을 고려하여 그림 7과 같이 NAA 두께가 다른 구조의 반사 스펙트럼과 해당 색도 좌표를 각각 조사했습니다. Al 층 및 하부 Al 기판, t에서 증가 ₀ =0 ~ 4 nm이고 반사 스펙트럼은 공명 파장 및 반사 효율 측면에서 좋은 일관성을 유지했습니다. 또한, 색도 좌표는 Al 산화 후 안정적인 색상 출력을 나타냅니다. 그 결과 Al의 공기 산화는 제안된 구조의 광학적 성능에 거의 영향을 미치지 않았다. 비교를 위해 Al 코팅층이 없는 구조도 평가하였다. 도 8에 도시된 바와 같이 NAA 필름의 두께는 160nm였다. Al 호일의 원래 색상인 회색이 관찰되어 제안된 색상 필터링 기법이 높은 색순도 향상이 가능함을 확인하였다. 상부에 Al 층이 없는 구조의 시뮬레이션 및 측정된 반사 스펙트럼에서 알 수 있듯이 가시 스펙트럼 대역에서 명백한 공명 현상이 관찰되지 않아 관찰된 저순도 반사 색상이 나타났습니다. 특히, Al 코팅층이 없는 NAA 필름의 반사 스펙트럼의 외관은 NAA 필름의 두께에 관계없이 유사한 반면, Al 코팅된 NAA 필름의 반사 스펙트럼은 두께에 크게 의존하는 것으로 나타났다.

<그림>

110, 160, 320nm의 서로 다른 NAA 캐비티 두께의 공기 산화로 인해 Al 위에 형성된 알루미나 층을 고려한 제안된 구조의 시뮬레이션된 반사 스펙트럼

<그림>

NAA 필름 위에 Al 코팅층이 없는 참조 구조의 시뮬레이션 및 측정된 반사 스펙트럼의 캡처된 광학 컬러 이미지

결론

요약하면, 우리는 광학적으로 두꺼운 Al 기판 위에 NAA 필름과 함께 얇은 Al 코팅 층을 사용하여 높은 색순도로 대면적 색상 생성을 달성하는 매력적인 방법을 제안하고 시연했습니다. 효과적인 매질 이론에 따르면, Al 코팅층 및 NAA 필름을 포함하여 제안된 구조에 속하는 나노다공성 층은 특정 유효 굴절률을 갖는 준-균질 매질로서 거동한다. 결과적으로 제안된 구조는 단순히 NAA 두께를 변경하여 반사 색상에 해당하는 공진 파장을 쉽게 튜닝할 수 있는 FP 공진이 가능한 MDM 공진 구조로 작동합니다. 한편, 상부 나노다공성 Al 층을 이용함으로써, 우리는 제안된 구조가 플라즈몬 효과를 지지한다는 것을 발견했으며, 이는 관찰된 거의 0에 가까운 반사 딥으로 이어지는 흡수를 강력하게 향상시킬 수 있습니다. 형상에 따른 제안된 구조의 광학적 성능은 FDTD 방법 기반 도구를 사용하여 이론적으로 조사되었습니다. 최적화된 매개변수를 기반으로 NAA 두께가 다른 3개의 샘플을 2cm × 2cm 영역에서 제조했습니다. 실험 결과 분석을 통해 준비된 샘플은 최대 약 73%의 높은 반사 효율로 선명한 반사 색상을 나타내는 것으로 확인되었습니다. 제안된 접근 방식은 NAA 필름 기반 구성의 색상 조정 메커니즘에 대한 더 나은 이해로 이어질 뿐만 아니라 많은 응용 분야에서 비용 효율적인 대면적 색상 필터링 장치의 실현을 향한 중요한 단계를 나타냅니다. 디스플레이/영상 장치, 광전지, 바이오센서 기술 등.

약어

|E|:

전기장

알:

알루미늄

알₂ O₃ :

알루미나

CIE:

국제 조명 위원회

전자빔:

전자빔

FDTD:

유한 차분 시간 영역

FP:

파브리 페로

MDM:

금속-유전체-금속

NAA:

나노다공성 양극 알루미나

SEM:

주사전자현미경

전기방사 및 제자리 열분해에서 파생된 매우 활성적이고 안정적인 Fe-N-C 산소 환원 전극촉매 평면 페로브스카이트 태양 전지용 저온 처리된 SnO2 전자 수송층의 UV 처리