Ce qui est dans mon pixel pour vous: créer des nanopixels en utilisant des métasurfaces plasmon

Jetez un œil à l'écran. Que voyez-vous? Page du site Web avec du texte et des images, non? Mais si vous creusez plus profondément? Tous ces éléments, différents en termes de charge sémantique et de présentation, sont constitués d '«atomes» visuels numériques appelés pixels. Plus il y a de pixels, mieux c'est, à l'exception de certains jeux indépendants. Les pixels, comme tout "atome" dans l'Univers, ont leurs propres propriétés et limitations spécifiques. Au moins c'était avant. Aujourd'hui, nous allons nous familiariser avec une étude qui décrit une méthode pour créer un nouveau type de pixel, des centaines de fois plus petit et meilleur que ceux actuels. Comment les scientifiques ont-ils réussi, quelles caractéristiques étonnantes possèdent les nouveaux pixels et ces pixels pourraient-ils nous aider à comprendre ce qui se passe dans l'obscurité du troisième épisode de la huitième saison de Game of Thrones? Nous chercherons des réponses dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Nous entendons le mot pixel assez souvent de diverses sources. Un nouveau smartphone avec un appareil photo de 20 mégapixels (mégapixels), un nouveau jeu de pixel indie, le pixel art, le film pas très réussi "Pixels" en 2015 avec Tyrion Lannister, soit avec Peter Dinklage (désolé, PTSD après le marathon Game of Thrones), etc.

En termes scientifiques, un pixel est le plus petit élément logique d'une image bidimensionnelle (les voxels jouent ce rôle en trois dimensions). Si vous comparez une image sur votre écran avec la mer, alors un pixel est une goutte d'eau de mer, selon un dicton exagéré.

Les pixels sont de forme ronde ou rectangulaire (carrée). Contrairement aux films d'espionnage et aux émissions de télévision sur les super-détectives, si vous agrandissez une image numérique, elle se transformera tôt ou tard en un tas de carrés de couleurs différentes, et non pas une image super claire.


Affiche Game of Thrones avec King of the Night.

Le mot pixel lui-même a une origine légèrement astronomique. En 1965, Frederick Billingsley du Jet Propulsion Laboratory a utilisé pour la première fois ce mot pour décrire des éléments graphiques d'images vidéo provenant des sondes spatiales de la Lune et de Mars. En même temps, M. Billingsley n'était pas un pionnier dans le domaine de la formation des mots, car avant lui, ce mot était utilisé par Keith MacFarland en 1963. La version anglaise de " pixel " peut être divisée en deux composantes - " pix " ( image - image) et " el " ( élément - élément).

L'histoire est l'histoire, mais nous ne nous sommes pas réunis ici pour son bien, mais pour de nouvelles découvertes.

Cette recherche est basée sur les métasurfaces précédemment touchées par nous dans les articles précédents.

Le métamatériau * est un composite (de plusieurs composants) dont les propriétés ne dépendent pas tant des propriétés de ses éléments constitutifs que de sa structure générale (topologie, architecture, etc.).

À leur tour, les métasurfaces sont un type bidimensionnel de métamatériaux qui se caractérisent par de faibles pertes lors du travail avec la lumière et la facilité de fabrication.

Récemment, les scientifiques accordent de plus en plus d'attention aux métasurfaces plasmon * (à ne pas confondre avec le plasma).

Le plasmon * est une quasiparticule correspondant à la quantification des oscillations du plasma, qui sont des oscillations collectives d'un gaz d'électrons libres.

Cependant, il y a toujours eu des difficultés à travailler avec des métasurfaces plasmon, malgré tous les avantages techniques.

Dans cette étude, les scientifiques décrivent une méthode pour créer un nouveau type de métasurfaces évolutives et à commande électrique. Dans le processus de création de nouveaux éléments, l'approche ascendante a été utilisée (la formation de nanoparticules à partir d'éléments plus petits, c'est-à-dire de plus en plus petits). Et maintenant plus en détail.

Préparation des échantillons

Les scientifiques nous rappellent que les résonances plasmon, en combinaison avec des nanostructures de métaux nobles, sont devenues un excellent outil pour améliorer certains phénomènes et processus optiques.

L'utilisation de plasmons en nanolithographie pour créer des affichages est également très prometteuse, car les composants plasmon ont un large spectre de couleurs et une très petite taille, même plus petite que les pixels ordinaires. Mais à ce jour, il était possible de réaliser des couleurs exclusivement statiques en utilisant un processus très complexe de réglage et d'agencement des éléments de diffusion pour surmonter la dépendance à la polarisation de la lumière, à l'angle de vision et à l'éclairage. En d'autres termes, auparavant c'était possible, mais sacrément difficile.

Si nous voulons obtenir des couleurs de plasmon actives, disent les scientifiques, il est nécessaire de contrôler les propriétés optiques de l'environnement de l'extérieur. Par exemple, si des métasurfaces plasmoniques sont utilisées en conjonction avec des matériaux électrochromes (polymères conducteurs et matériaux avec une transition de phase), alors "on / off" peut être obtenu lorsque l'état de charge du matériau électrochromique change. Et cela double déjà le taux de rafraîchissement et le contraste optique par rapport aux systèmes où seuls les matériaux électrochromes sont disponibles.

Étant donné que la taille des plasmons contrôle la génération de couleurs des pixels RVB * , les scientifiques ont utilisé des moyens électrochimiques pour faire fonctionner les nanoparticules de plasmon comme de petits commutateurs optiques / pixels.

RGB * (rouge, vert, bleu) ou GLC (rouge, vert, bleu) est un modèle de couleur additif.

Par exemple, les nanostructures Au (or) recouvertes d'une coque Ag (argent) présentent une dynamique de couleur étendue en raison du contrôle électrochimique de l'épaisseur de la coque Ag ou des réactions redox. Cependant, ces nanostructures ont une durée de vie très courte (pas plus d'un mois) et leur vitesse de commutation est très faible (plus de 0,5 s).

Ces inconvénients sont principalement associés à l'argent. Lorsqu'elle est précipitée trop souvent ou qu'elle passe souvent par le processus d'oxydation / réduction, la diffusion ionique est plus lente et conduit à des changements morphologiques rapides à l'échelle nanométrique. Il s'avère que la méthode est bonne et fonctionne, mais pas très durable.

Une autre façon d'atteindre le résultat souhaité consiste à utiliser un composite plasmonique multicouche avec un joint diélectrique (NPoM) à l'intérieur.

NPoM - nanoparticule sur miroir (nanoparticule sur miroir).

Une autre bonne chose est que de tels composites peuvent être créés sans utiliser de lithographie problématique, mais la précision sera au niveau atomique.


Image n ° 1

Le principal avantage de cette structure est que les nanoparticules limitent fortement la lumière à l'intérieur de leurs cellules individuelles au miroir sous-jacent et créent ainsi des résonateurs optiques extrêmement localisés (image ci-dessus). Ainsi, les nanoparticules deviennent indépendantes les unes des autres et insensibles à l'angle et à la polarisation de la lumière incidente.

Les scientifiques notent qu'une technologie similaire n'a pas été utilisée auparavant pour créer des écrans. Et leur tâche principale est de réaliser la capacité de produire du NPoM à grande échelle, tout en maintenant l'indépendance des nanopixels individuels.

Dans leurs travaux, les scientifiques décrivent la création d' eNPoM - des nanoparticules électrochromes sur miroirs formées de nanoparticules d'or encapsulées dans une coque en polymère conducteur de polyaniline.

Les plus grandes réalisations sont les performances et l'efficacité énergétique d'eNPoM. La commutation de l'état de charge de la coque vous permet de décaler rapidement la couleur de l'eNPoM à diffusion de résonance dans la gamme de longueurs d'onde> 100 nm. Un nanopixel actif dans un tel système ne nécessite que ~ 0,2 fJ (femtojoule, 1 fJ = ​​10 ^-15 J) d'énergie pour chaque décalage de longueur d'onde de 1 nm.

ENPoM Theory

La dynamique des couleurs basée sur la résonance plasmonique de surface locale ( LSPR ) fonctionne en changeant l'indice de réfraction du milieu entourant le nanomatériau plasmon, en décalant la position du pic LSPR. Un réglage approprié des couleurs peut être déduit de la sensibilité du LSPR:



où λ est la longueur d'onde du résonateur, x est le facteur de forme de la nanoparticule métallique (si c'est 2, alors c'est une sphère), ℇ _m est la constante diélectrique de la nanoparticule métallique, et n est l'indice de réfraction du milieu entourant la nanoparticule. Dans le meilleur des cas, ∆n devrait être grand, fournissant n ~ 1 pour maintenir la résonance LSPR au milieu de la région visible, et permettant à ∆λ * de s'accorder à l'ensemble du spectre visible.

L'utilisation de nanoparticules plasmoniques est une solution logique dans cette situation, mais il existe un certain nombre de problèmes. Les matériaux inorganiques à grand ∆n ont un facteur de forme> 2. De ce fait, leurs résonances LSPR sont dans le proche infrarouge (NIR) et ne conviennent pas aux applications de couleur plasmon. Des polymères sensibles avec n <1,7 peuvent être utilisés. Mais avec de tels matériaux, il est difficile d'ajuster et d'ajuster la couleur.

Il s'avère qu'il est impossible d'appliquer des méthodes classiques, ou plutôt c'est possible, mais le résultat sera faible. C'est pourquoi les scientifiques ont utilisé l'eNPoM ( 1a ), constitué de nanoparticules Au encapsulées dans une coque en polyaniline (ci-après PANI). Une telle topologie NPoM se manifeste comme une paire dimérique de particules de plasmon qui n'interagissent pas les unes avec les autres, ce qui provoque une amplification du couplage du champ optique dans l'espace, appelé «point chaud» ( 1b ). Cette région conduit à la formation d'une résonance couplée supplémentaire et d'un mode transverse d'environ 550 nm, supporté par les nanoparticules Au seules.

Changer le milieu optique environnant vous permet d'ajuster cette résonance, et le mode transversal à ce moment ne change pratiquement pas. Changement de l'état redox du volume ultra-bas de la coque PANI entourant chaque nanoparticule (～ 3x10 ^-4 μm ^-3 ).

Après avoir modélisé à l'aide de la méthode des différences de temps finies ( 1 s ), les scientifiques ont suggéré que le plein effet redox du PANI dans l'eNPoM peut entraîner des décalages visibles des longueurs d'onde de diffusion> 100 nm, soit 300% de plus que ceux supportés exclusivement par des nanoparticules ( sans la participation d'une coque en polyaniline). Dans l'état réduit de PANI ^{0, la} résonance eNPoM associée apparaît à c ⁰ = 675 nm, et lorsqu'elle est oxydée en PANI ²⁺ , un décalage vers le bleu se produit à c ²⁺ = 575 nm.

La diffusion eNPoM optimale prédit une plage de couleurs de 100 nm avec un contraste réglable de 43% ( 1 s ). De telles observations indiquent une réelle opportunité d'obtenir des couleurs personnalisées / commutables avec une faible perte optique et une haute résolution spatiale, ce qui a été confirmé par des expériences sur des appareils avec un nanopixel ( 1d ).

Création d'eNPoM

Image n ° 2

Le processus de création d'eNPoM consiste en deux étapes de la méthode ascendante: enveloppement des nanoparticules Au avec un revêtement PANI en solution; Miroir plat Au à marée basse.

Les nanoparticules colloïdales Au ont été encapsulées dans une mince coque PANI mince par polymérisation oxydante chimique en utilisant un tensioactif (insérer dans le coin supérieur droit en 2b ).

De plus, les échantillons obtenus ont été intégrés dans des chambres électrochimiques (cellules) créées en laboratoire, qui ont été optimisées pour le suivi simultané de la dynamique optique et électrique.

Le miroir Au forme une électrode de travail et l'état redox des coques PANI est contrôlé en faisant passer la tension de -0,2 à 0,6 V avec une vitesse de balayage de 50 mV / s. Les courbes de voltampérométrie cyclique moyennes sur 90 cycles ( 2a ) montrent deux ensembles de pics oxydés (supérieurs) et réduits (inférieurs) de trois formes redox différentes de PANI: PANI ⁰ - complètement réduit; PANI ¹⁺ est semi-oxydé et PANI ²⁺ est entièrement oxydé. Par conséquent, l'oxydation et la réduction complètes de l'eNPoM ne se produisent que dans la plage de potentiel ∆V <1 V. En même temps, le spectre de diffusion en "champ noir" d'un eNPoM est mesuré ( 2b et 1d ).

L'application d'un potentiel négatif provoque une diminution de la coque PANI (PANI ⁰ ), ce qui conduit à un pic de diffusion à c ⁰ = 642 nm. Et l'inverse du potentiel conduit à un décalage de résonance vers c ²⁺ = 578 nm, alors que ∆λ * = 64 nm est cohérent avec la modélisation réalisée précédemment ( 1s ).

Une observation plus approfondie du spectre de diffusion en champ sombre pendant la voltampérométrie cyclique a montré une commutation optique hautement stable et réversible ( 2c ) avec une dynamique entièrement reproductible ( 2d ).

Une observation encore plus importante est l'identité de tous les eNPoM en termes de dynamique optique: si les conditions pour tous les nanopixels sont les mêmes, alors leur dynamique optique sera la même, ce qui est extrêmement important pour les métasurfaces homogènes à grande échelle.

Différents dégagements sur eNPoM

Image n ° 3

Après les travaux préparatoires, les scientifiques ont décidé de vérifier comment les paramètres structurels de l'eNPoM affectent la commutation des couleurs, en particulier, comment les lacunes de l'eNPoM, qui sont déterminées par l'épaisseur de la coque à la surface de la nanoparticule Au, influencent ce processus. Pour cela, plusieurs échantillons de test eNPoM ont été créés avec des espaces différents, tandis que l'épaisseur de la coque a été augmentée de 10 à 20 nm.

En conséquence, 4 types de nanopixels eNPoM ont été obtenus: 11, 13, 18 et 20 nm ( 3a ). Les scientifiques ont évalué leur dynamique électrique ( 3b ) et optique ( 3c - 3f ).

Des simulations et des expériences réelles avec différents nanopixels ont montré des résultats similaires - des décalages bleus réversibles ( 3d ) et une diminution de l'intensité de ~ 50% ( 3e ) pendant l'oxydation.

En théorie, selon les scientifiques, avec une diminution des écarts, la longueur de l'onde résonante et la plage de son accord spectral devraient augmenter. En réalité, tout s'est déroulé différemment - l'amincissement de la coque PANI a conduit à une gamme de couleurs plus petite pendant le cycle redox. Les chercheurs expliquent cela par des facteurs structurels supplémentaires qui n'ont pas été pris en compte dans la modélisation (en théorie):

• imperfection de la forme sphérique et de la taille des nanoparticules d'Au;
• différences dans les propriétés optiques de PANI de différentes épaisseurs;
• hétérogénéité de la coque PANI recouvrant la nanoparticule;
• ~ 30% de changement d'épaisseur de coque pendant le processus redox;
• hétérogénéité du processus redox des molécules de coquille PANI dans l'espace.

En conséquence, NPoM avec une coque plus épaisse (plus de 15 nm) a montré d'excellentes caractéristiques de couleur avec une grande précision, compatible avec la modélisation mathématique.

Surveillance redox

Un changement de couleur lors d'un changement de l'état redox d'un polymère conducteur permet de suivre la dynamique électronique associée dans un petit canal sous des nanoparticules individuelles individuelles dans la géométrie NPoM ( 4a ).


Image n ° 4

Cela vous permet de comprendre combien d'électrons sont transportés à travers l'espace dans l'eNPoM et à quelle vitesse.

Le taux de transfert d'électrons entre PANI et le miroir Au est assez élevé étant donné que ce processus se déroule précisément dans des nano-espaces avec un transfert de masse insignifiant. Cela garantit que le système redox est réversible électrochimiquement. Le courant de crête i _P sur la courbe de voltampérométrie cyclique à l'état oxydé (ou réduit) de l'eNPoM est linéairement proportionnel à la vitesse de balayage potentielle n avec un décalage de crête limité.

Il s'ensuit que i _P = vF ² fA / RT avec la participation de deux électrons, où F est la constante de Faraday (C / mol), R est la constante de gaz idéale (J / (mol ∙ K)), T est la température du système (K ), A est la surface de l'électrode de travail (m ² ), f est la surface des particules sur l'électrode (mol / m ² ).

Étant donné une relation linéaire avec n, f est constant et donne le nombre de molécules PANI subissant un transfert d'électrons, qui est donné par le nombre eNPoM sur l'électrode. Cela vous permettra de calibrer le nombre d'électrons d'entrée / sortie de chaque NPoM ( 4b ). Ainsi, on peut voir la dynamique électronique dans les lacunes des NPoM individuels associés à trois états redox PANI différents. Environ 30 000 électrons dans chaque nanoparticule sont transportés. Les mesures de la dynamique optique ont montré deux transitions distinctes qui correspondent idéalement à la dynamique électronique ( 4c ).

La principale conclusion des observations ci-dessus est l'efficacité énergétique des nanopixels - ~ 80 et ~ 200 AJ (attojoule, 1 AJ = 10 ⁻¹⁸ J) par décalage de 1 nm sont nécessaires pour le changement de couleur de c ⁰ à c ¹⁺ et de ^{1 +} à c ²⁺ longueurs d'onde.

Ensuite, les scientifiques ont analysé la commutation optique d'eNPoM uniques avec une modulation électrique rectangulaire plus rapide ( 4d à partir du haut) pour déterminer la réponse temporelle. Dans le cas de l'application d'un saut de tension de 0,6 à -0,2 V, provoquant des décalages rapides en mode couplé de c ⁰ à c ²⁺ , une transition redox nette du polymère a été observée ( 4d à partir du bas).

Le temps de commutation était de 32 ms (oxydation) et 143 ms (diminution) avec un changement d'intensité de 47%. Une commutation de couleur réversible au niveau de nanoparticules uniques est observée en réponse à des potentiels rectangulaires d'augmentation de la fréquence jusqu'à 50 Hz ( 4e , 4f ).

En raison de la stabilité des états de charge PANI, une bistabilité (deux états d'équilibre) de l'eNPoM a été observée. De plus, les modes de résonance à c ²⁺ et c ⁰ persistent pendant> 10 minutes. Et c'est l'un des facteurs de réduction de la consommation d'énergie d'un appareil basé sur cette technologie.

Mise à l'échelle des métasurfaces eNPoM

L'efficacité énergétique est bien sûr bonne, mais l'évolutivité est également nécessaire. Il est même préférable de combiner ces deux indicateurs, en évitant la lithographie en production, comme disent les chercheurs. Pour y parvenir, une nouvelle méthode d'assemblage des nanoparticules par guidage ménisque * a été appliquée.

Le ménisque * est une lentille concave-convexe ou convexe-concave délimitée par deux surfaces sphériques.

La fraction volumique de particules dans la solution utilisée pour le revêtement détermine la densité de particules (fraction de remplissage) sur le substrat miroir (image n ° 5). Des surfaces constituées d'eNPoM distribués au hasard avec une fraction de remplissage de 20% sont obtenues en utilisant 0,3% de la fraction volumique du colloïde d'origine.


Image n ° 5

Un intervalle de ~ 100 nm fournit le couplage optique en champ proche minimum entre les nanoparticules ( 5a ). Les couleurs sont contrôlées uniquement par les espaces sous chaque eNPoM. L'augmentation de la métasurface eNPoM résultante a également montré une excellente commutation des couleurs avec Δλ * = 79 nm et 57% de contraste sur toute la surface ( 5b - 5e ). En d'autres termes, la métasurface d'eNPoM présente les mêmes propriétés et le même comportement qu'un eNPoM unique.

La gamme de couleurs et la dynamique de la métasurface peuvent être améliorées en mélangeant différentes nanoparticules ou en utilisant des nanoparticules de plasmon ultraviolet.


Image n ° 6

eNPoM . , ( 5 ).

, 3 ( ) 300 / ² 109 .

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Épilogue

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