Новый плазмонный металл

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 14029 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Обнаружение цвета является одним из главных интересов как в биологических, так и в промышленных приложениях. В частности, определение характеристик световой волны имеет жизненно важное значение в фотонных технологиях. Одной из особенностей восприятия цвета, которую следует выяснить, является его длина волны или цвет. В этой работе мы предлагаем структуру, которую можно использовать для эффективного обнаружения цветов RGB отдельно. Предлагаемый детектор состоит из плазмонного фильтра, воспринимающего нужную длину волны (красную, зеленую и синюю), и PN-диода для преобразования полученных фотонов в электрический ток. При входной интенсивности 1 мВт × см–2 плотности тока для синего, зеленого и красного цветов составляют 27, 35 и 48 мкА × см–2 соответственно. Показано, что интенсивности, необходимые для получения плотностей тока 0,1 мкА × см–2, составляют 3,94, 2,98 и 2,25 мкВт × см–2 для синего, зеленого и красного спектров соответственно. Следует отметить, что использование высокоточных фотоприемных структур, таких как PIN-диод, позволяет снизить минимальный обнаруживаемый уровень. Простая настройка желаемой длины волны и линейная работа при различной входной интенсивности являются характеристиками разработанной конструкции. Этот детектор совместим с технологией КМОП и может легко использоваться во многих приложениях, таких как устройства с зарядовой связью, дисплеи и камеры.

С момента появления фотонных технологий разработка эффективного детектора представляла большой интерес для исследователей. Фотодетекторы — это такие устройства, в которых интенсивность падающего света преобразуется в электрический ток. Обычно это преобразование чувствительно к длине волны падающего света. Инфракрасные (ИК) и детекторы видимого света (ДВС) находят множество применений в фотонных задачах, таких как медицинская и военная визуализация, оптическая связь и современные камеры1,2,3,4,5,6,7,8. Электромагнитный спектр от 400 до 700 нм называется видимым светом, который должен обнаруживаться с помощью VLD. Раздельное и эффективное распознавание красного, зеленого и синего (RGB) цветов является основной задачей VLD. Другими словами, в этих детекторах необходимо осуществлять цветовую фильтрацию.

Обнаружение цвета является базовой функцией устройств восприятия изображения, таких как устройства на базе КМОП9,10,11 и многоцветные голограммы12. Цветные фильтры на основе пигментов и красителей традиционно используются в органических светоизлучающих устройствах (OLED) и жидкокристаллических дисплеях (LCD)13,14. Эти фильтры недостаточно надежны, поскольку органические материалы имеют низкую химическую стабильность11. Более того, органические фильтрующие материалы несовместимы с процессами интеграции11. Использование метаматериалов, нанопроволочных волноводов, квантовых точек и плазмоники является альтернативой разработке цветных фильтров15,16,17,18. В плазмонном явлении поверхностный резонанс на границе раздела металл-изолятор, называемый поверхностным плазмонным резонансом (ППР), можно использовать для создания многослойной структуры, которая улавливает нужную длину волны и действует как фильтр19,20,21. Простая реализация плазмонных структур побуждает исследователей использовать плазмонику в широких приложениях, таких как волноводы, оптические датчики, поглотители и фильтры22,23,24,25. С точки зрения фильтрации, плазмонную структуру можно легко регулировать толщиной изоляционного слоя, чтобы изменить резонансную частоту и, следовательно, отфильтрованный спектр26,27,28.

Плазмонные фильтры в основном можно разделить на два типа: статические и динамические29. В отличие от статического случая, динамический демонстрирует разные характеристики в зависимости от поляризации падающего света30,31, тепла или механического напряжения, приложенного к устройству32,33,34. Решетки, периодические, субволновые и гибридизированные наноотверстия35,36,37 и массивы нанодисков17,37 являются некоторыми примерами статических фильтров. Прочность и разрешающая способность плазмонных фильтров лучше, чем у неплазмонных. По этой причине мы использовали структуру на основе плазмонов для разработки цветового фильтра29,38,39,40.