p (Phys.org) —TVs, sensores de imagem, iPads, câmeras digitais e outros dispositivos modernos usam filtros para exibir a amplitude de cores disponíveis na parte visível do espectro eletromagnético. p Filtros de cor convencionais são normalmente feitos de corantes orgânicos ou produtos químicos, mas podem ser danificados pelo calor e radiação ultravioleta (UVR), e são complicados e caros de fabricar, especialmente para câmeras em miniatura e imagers.

p Por estas razões, diz Beibei Zeng, engenheiros estão se voltando para filtros de cor plasmônica (PCFs), que são baseados em plasmons de superfície, ou a oscilação coletiva de elétrons em interfaces metal / dielétrico. Esses filtros são feitos fabricando, em uma fina película de metal, arranjos de orifícios com diâmetros de 100 nanômetros ou menos (1 nm equivale a um bilionésimo de um metro).

p Variando a geometria desses nanoholes - seu diâmetro, forma, periodicidade e padrão - é possível controlar as cores que são transmitidas e criar, transmitir um amplo espectro de cores para aplicativos de imagem.

p "Os PCFs têm muitas vantagens, "diz Zeng, quem é um Ph.D. candidato em engenharia elétrica. "Eles são simples de fazer e são facilmente ajustados em uma ampla gama de cores. Além disso, eles são muito estáveis ​​e não são vulneráveis ​​a danos de calor, umidade ou UVR. "

p Em seu atual estado de desenvolvimento, Contudo, Os PCFs têm uma grande desvantagem:a eficiência com que transmitem luz é de apenas 30% - menos da metade da taxa de 80% de eficiência de transmissão alcançada pelos filtros de cores convencionais.

p Zeng lidera uma equipe de pesquisa da Lehigh que desenvolveu um novo esquema de PCF que atinge uma eficiência de transmissão de 60 a 70 por cento. O método se baseia em uma abordagem de filtragem subtrativa que difere fundamentalmente dos filtros aditivos normalmente empregados em PCFs.

p O grupo relatou seus resultados recentemente em um artigo intitulado "Ultrathin Nanostructured Metals for Highly Transmissive Plasmonic Subtractive Color Filters", "que foi publicado por Relatórios Científicos , uma publicação do grupo Nature. O artigo foi escrito por Zeng; Filbert J. Bartoli, chefe do departamento e professor de engenharia elétrica e da computação e conselheiro de Zeng; e Yongkang Gao, que recentemente concluiu seu Ph.D. em engenharia elétrica em Lehigh.

p Capitalizando os avanços na nanofabricação

p Filtros de cor subtrativos (SCFs) são amplamente usados ​​em sensores de imagem, diz Zeng. Eles têm vantagens sobre os filtros de cores aditivos (ACFs) na intensidade do sinal de cor e transmissão de luz, mas os pesquisadores ainda não foram capazes de produzir SCFs plasmônicos de alto desempenho.

p O grupo de Zeng demonstrou que foi capaz de aumentar a eficiência dos SCFs plasmônicos em um estudo que combinou o projeto teórico, simulação, fabricação usando litografia de feixe de íons focalizado, e demonstração experimental.

p "Temos a sorte de Lehigh ter amplas capacidades de pesquisa interdisciplinar, "diz Zeng." Depois de fazermos o trabalho teórico, fabricamos dispositivos e, em seguida, conduzimos experimentos que nos dizem se os dispositivos funcionarão ou não. "

p O trabalho teórico e a simulação ajudaram seu grupo a esclarecer a física subjacente ao que Zeng chama de fenômeno "contra-intuitivo" de extraordinária baixa transmissão (ELT) em filmes de metal nanopadronizados ultrafinos. Relatado recentemente, O ELT é considerado pelos pesquisadores como uma promessa para o desenvolvimento de novos filtros de polarização.

p O grupo de Zeng explorou o ELT em um filme de prata de 30 nm de espessura padronizado com nanogratings unidimensionais e obteve filtragem de cor subtrativa com uma eficiência de transmissão de até 70 por cento. Eles conseguiram gerar ciano, cores magenta e amarelo, removendo seus componentes complementares (vermelho, azul e verde) da parte visível do espectro eletromagnético.

p Avanços recentes na nanofabricação, diz Zeng, permitiu que seu grupo trabalhasse com os filmes ultrafinos, que são quase uma ordem de magnitude mais finos do que os filmes de 200 nm de espessura nos quais os PCFs aditivos são tipicamente gravados. A padronização dos filmes de metal de prata ultrafinos causou mudanças críticas em suas propriedades físicas e ópticas e permitiu ao grupo aumentar significativamente a eficiência de transmissão de SCFs plasmônicos.

p "A espessura relativa de nossos filtros causa um acoplamento nas ressonâncias eletromagnéticas na parte superior e inferior da superfície do metal, "diz Zeng." Isso não ocorre com filmes de metal mais grossos. Sem este acoplamento, ocorre um pico de transmissão; com isso, o pico se torna um vale e causa uma queda na transmissão.

p "Podemos controlar essa queda de transmissão ajustando as dimensões das nanoestruturas no filme de metal. Apenas alguns anos atrás, não poderíamos fabricar estruturas tão finas. Agora podemos fabricar nanoestruturas sistematicamente e obter um controle preciso das cores transmitidas através dos filmes nanoestruturados. "

p Além de alcançar uma eficiência de transmissão próxima à dos sensores de imagem comerciais, os SCFs plasmônicos aumentam a resolução espacial ao produzir tamanhos de pixel ultracompactos, que são necessários em TVs de alta definição e nos smartphones mais recentes. Isso ocorre por causa das interações de curto alcance dos polaritons do plasmon de superfície (SPPs) entre nanoestruturas vizinhas em ressonâncias ELT.

p Esta filtragem de cores de dependência de polarização, o grupo escreve em Relatórios Científicos , oferece aos SCFs plasmônicos 1-D o potencial de "funcionar como janelas transparentes sob polarização elétrica transversal" e os torna "altamente atraentes" para telas transparentes de próxima geração.

p "Esses recursos dependentes de polarização exclusivos permitem que as mesmas estruturas funcionem como filtros de cores ou janelas altamente transparentes sob polarizações diferentes, abrindo um caminho para telas transparentes de alta definição. "

p "Os monitores transparentes atuais são limitados por sua baixa resolução espacial e baixa gama de cores, "diz Zeng." Nosso trabalho com SCFs plasmônicos resolveu os dois problemas. Podemos obter qualquer cor que quisermos e com resolução muito alta por causa de nossos tamanhos de pixel ultracompactos. "

p O artigo do grupo foi baixado mais de 1, 300 vezes desde que foi publicado em outubro, e foi citado recentemente em um artigo publicado por Nano Letras .