Apa yang ada di pixel saya untuk Anda: membuat nanopixels menggunakan metasurfaces plasmon

Lihatlah layarnya. Apa yang kamu lihat Halaman situs web dengan teks dan gambar, kan? Tapi, apakah Anda menggali lebih dalam? Semua elemen ini, berbeda dalam muatan semantik dan cara presentasi, terdiri dari "atom" visual digital yang disebut piksel. Semakin banyak piksel, semakin baik, dengan pengecualian beberapa game indie. Piksel, seperti "atom" apa pun di Semesta, memiliki sifat dan keterbatasan spesifiknya sendiri. Setidaknya itu sebelumnya. Hari ini kita akan berkenalan dengan studi yang menjelaskan metode untuk membuat jenis pixel baru, ratusan kali lebih kecil dan lebih baik daripada yang sekarang. Bagaimana tepatnya para ilmuwan berhasil, karakteristik luar biasa apa yang dimiliki piksel baru dan dapatkah piksel seperti itu membantu kita mengetahui apa yang terjadi dalam kegelapan episode ketiga musim kedelapan Game of Thrones? Kami akan mencari jawaban dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Kami sering mendengar kata pixel dari berbagai sumber. Sebuah smartphone baru dengan kamera 20 megapiksel (megapiksel), game indie piksel baru, seni pixel, film "Pixels" yang tidak terlalu sukses pada tahun 2015 dengan Tyrion Lannister, mis. dengan Peter Dinklage (maaf, PTSD setelah maraton Game of Thrones), dll.

Dalam istilah ilmiah, piksel adalah elemen logis terkecil dari gambar dua dimensi (voxel memainkan peran ini dalam tiga dimensi). Jika Anda membandingkan gambar apa pun di layar dengan laut, maka satu piksel adalah setetes air laut, kata berlebihan.

Pixel berbentuk bulat atau persegi panjang. Tidak seperti film mata-mata dan acara TV tentang super-detektif, jika Anda memperbesar gambar digital, cepat atau lambat itu akan berubah menjadi sekelompok kotak warna yang berbeda, dan bukan gambar yang sangat jelas.


Poster Game of Thrones dengan King of the Night.

Pixel kata itu sendiri memiliki asal sedikit astronomi. Pada tahun 1965, Frederick Billingsley dari Jet Propulsion Laboratory pertama kali menggunakan kata ini untuk menggambarkan elemen grafis dari gambar video dari wahana antariksa Bulan dan Mars. Pada saat yang sama, Mr. Billingsley bukan perintis di bidang pembentukan kata, karena sebelum dia kata ini digunakan oleh Keith MacFarland pada tahun 1963. Versi bahasa Inggris dari " pixel " dapat dibagi menjadi dua komponen - " pix " ( gambar - gambar) dan " el " ( elemen - elemen).

Sejarah adalah sejarah, tetapi kita belum berkumpul di sini untuk kepentingannya, tetapi demi penemuan baru.

Penelitian ini didasarkan pada metasurfaces yang sebelumnya disentuh oleh kami di artikel sebelumnya.

Metamaterial * adalah komposit (dari beberapa komponen), sifat-sifatnya tidak banyak bergantung pada sifat-sifat unsur-unsur penyusunnya seperti pada struktur umumnya (topologi, arsitektur, dll.).

Pada gilirannya, metasurfaces adalah jenis metamaterial dua dimensi yang ditandai dengan kerugian rendah ketika bekerja dengan cahaya dan kemudahan pembuatan.

Baru-baru ini, para ilmuwan lebih memperhatikan metasurfaces plasmon * (jangan bingung dengan plasma).

Plasmon * adalah partikel semu yang berkaitan dengan kuantisasi osilasi plasma, yang merupakan osilasi kolektif gas elektron bebas.

Namun, selalu ada kesulitan dalam bekerja dengan metasurfaces plasmon, meskipun semua keuntungan teknis.

Dalam studi ini, para ilmuwan menggambarkan metode untuk menciptakan tipe baru dari metasurface yang dapat diukur dan dikendalikan secara elektrik. Dalam proses pembuatan item baru, pendekatan bottom-up digunakan (pembentukan nanopartikel dari elemen yang lebih kecil, yaitu, dari yang lebih kecil ke yang lebih besar). Dan sekarang lebih terinci.

Persiapan sampel

Para ilmuwan mengingatkan kita bahwa resonansi plasmon, dalam kombinasi dengan struktur nano logam mulia, telah menjadi alat yang sangat baik untuk meningkatkan fenomena dan proses optik tertentu.

Penggunaan plasmon dalam nanolithografi untuk membuat tampilan juga sangat menjanjikan, karena komponen plasmon memiliki spektrum warna yang luas dan ukuran yang sangat kecil, bahkan lebih kecil dari piksel biasa. Namun hingga hari ini, dimungkinkan untuk mewujudkan warna-warna statis secara eksklusif menggunakan proses penyetelan dan pengaturan elemen hamburan yang sangat kompleks untuk mengatasi ketergantungan pada polarisasi cahaya, sudut pandang, dan pencahayaan. Dengan kata lain, sebelumnya itu mungkin, tetapi sangat sulit.

Jika kita ingin mendapatkan warna plasmon aktif, para ilmuwan mengatakan, perlu untuk mengendalikan sifat optik lingkungan dari luar. Misalnya, jika metasurfik plasmonik digunakan bersama dengan bahan elektrokromik (polimer konduktif dan bahan dengan transisi fase), maka orang dapat memperoleh "hidup / mati" ketika kondisi pengisian bahan elektrokromik berubah. Dan ini sudah dua kali lipat kecepatan refresh dan kontras optik dibandingkan dengan sistem di mana hanya bahan elektrokromik yang tersedia.

Mempertimbangkan bahwa ukuran plasmon mengendalikan pembentukan warna piksel * RGB , para ilmuwan telah menggunakan sarana elektro / kimia untuk membuat fungsi nanopartikel plasmon sebagai sakelar / piksel optik kecil.

RGB * (merah, hijau, biru) atau GLC (merah, hijau, biru) adalah model warna tambahan.

Sebagai contoh, Au (emas) struktur nano dilapisi dengan shell Ag (perak) menunjukkan dinamika warna yang luas karena kontrol elektrokimiawi dari ketebalan shell Ag atau reaksi redoks. Namun, struktur nano seperti itu sangat berumur pendek (tidak lebih dari 1 bulan), dan kecepatan switchingnya sangat rendah (lebih dari 0,5 detik).

Kerugian seperti itu terutama dikaitkan dengan perak. Ketika diendapkan terlalu sering atau sering melalui proses oksidasi / reduksi, difusi ion lebih lambat dan mengarah ke perubahan morfologi yang cepat dalam skala nano. Ternyata metodenya bagus dan bekerja, tetapi tidak terlalu tahan lama.

Cara lain untuk mencapai yang diinginkan adalah dengan menggunakan komposit plasmonic multilayer dengan gasket dielektrik (NPoM) di dalamnya.

NPoM - nanopartikel-on-mirror (nanoparticle-on-mirror).

Hal lain yang baik adalah bahwa komposit tersebut dapat dibuat tanpa menggunakan litografi masalah, tetapi akurasinya akan turun ke tingkat atom.


Gambar No. 1

Keuntungan utama dari struktur ini adalah bahwa partikel nano sangat membatasi cahaya di dalam sel masing-masing untuk cermin yang mendasarinya dan, dengan demikian, membuat resonator optik yang sangat terlokalisasi (gambar di atas). Dengan demikian, partikel nano menjadi independen satu sama lain dan tidak sensitif terhadap sudut dan polarisasi cahaya yang terjadi.

Para ilmuwan mencatat bahwa teknologi serupa sebelumnya belum pernah digunakan untuk membuat tampilan. Dan tugas utama mereka adalah untuk merealisasikan kemampuan untuk menghasilkan NPoM dalam skala besar, sambil mempertahankan independensi nanopixel individu.

Dalam karya mereka, para ilmuwan menggambarkan penciptaan eNPoM - nanopartikel elektrokromik yang terbentuk dari nanopartikel emas yang dienkapsulasi dalam cangkang polimer konduktif polianilin.

Prestasi terbesar adalah kinerja dan efisiensi energi dari eNPoM. Mengubah status pengisian shell memungkinkan Anda dengan cepat mengubah warna hamburan resonansi eNPoM dalam rentang panjang gelombang> 100 nm. Nanopixel aktif dalam sistem semacam itu hanya membutuhkan ~ 0,2 fJ (femtojoule, 1 fJ = ​​10 ⁻¹⁵ J) energi untuk setiap pergeseran panjang gelombang 1 nm.

Teori ENPoM

Dinamika warna berdasarkan resonansi plasmon permukaan lokal ( LSPR ) bekerja dengan mengubah indeks bias medium yang mengelilingi bahan nano plasmon, menggeser posisi puncak LSPR. Penyesuaian warna yang tepat dapat disimpulkan dari sensitivitas LSPR:



di mana λ adalah panjang gelombang resonator, x adalah faktor bentuk nanopartikel logam (jika 2, maka ini adalah bola), ℇ _m adalah konstanta dielektrik dari nanopartikel logam, dan n adalah indeks bias media yang mengelilingi nanopartikel. Dalam skenario kasus terbaik, ∆n harus besar, memberikan n ~ 1 untuk mempertahankan resonansi LSPR di tengah-tengah wilayah yang terlihat, dan memungkinkan ∆λ * untuk menyempurnakan seluruh spektrum yang terlihat.

Penggunaan nanopartikel plasmonik adalah solusi logis dalam situasi ini, namun ada sejumlah masalah. Bahan anorganik dengan ∆n besar memiliki faktor bentuk> 2. Karena itu, resonansi LSPR mereka berada dalam inframerah dekat (NIR) dan tidak cocok untuk aplikasi warna plasmon. Polimer sensitif dengan n <1,7 dapat digunakan. Tetapi dengan bahan seperti itu sulit untuk menyesuaikan dan menyesuaikan warna.

Ternyata tidak mungkin untuk menerapkan metode klasik, atau lebih tepatnya itu mungkin, tetapi hasilnya akan lemah. Itulah sebabnya para ilmuwan menggunakan eNPoM ( 1a ), yang terdiri dari partikel nano Au yang dienkapsulasi dalam cangkang polianilin (selanjutnya disebut PANI). Topologi NPoM seperti itu memanifestasikan dirinya sebagai pasangan dimerik partikel plasmon yang tidak berinteraksi satu sama lain, yang menyebabkan amplifikasi dari kopling medan optik pada celah, yang dikenal sebagai "hot spot" ( 1b ). Wilayah ini mengarah pada pembentukan resonansi digabungkan tambahan dan mode melintang sekitar 550 nm, didukung oleh Au nanopartikel saja.

Mengubah media optik di sekitarnya memungkinkan Anda untuk mengatur resonansi ini, dan mode transversal pada saat ini praktis tidak berubah. Perubahan dalam kondisi redoks volume ultralow dari shell PANI yang mengelilingi setiap nanopartikel (～ 3x10 ^-4 μm ^-3 ).

Setelah pemodelan menggunakan metode beda waktu hingga ( 1s ), para peneliti menyarankan bahwa efek redoks penuh PANI di eNPoM dapat menyebabkan pergeseran yang terlihat dari panjang gelombang hamburan> 100 nm, yaitu 300% lebih banyak daripada yang didukung secara eksklusif oleh nanopartikel ( tanpa partisipasi cangkang polianilin). Dalam keadaan tereduksi dari PANI ^0, resonansi eNPoM terkait muncul pada c ⁰ = 675 nm, dan ketika teroksidasi menjadi PANI ²⁺ , pergeseran ke biru terjadi pada c ²⁺ = 575 nm.

Penyebaran eNPoM optimal memprediksi kisaran warna 100-nm dengan kontras yang dapat disesuaikan 43% ( 1s ). Pengamatan seperti itu menunjukkan peluang nyata untuk mendapatkan warna kustom / yang dapat diganti dengan kehilangan optik yang rendah dan resolusi spasial yang tinggi, yang dikonfirmasi oleh eksperimen pada perangkat dengan satu nanopixel ( 1d ).

Membuat eNPoM

Gambar No. 2

Proses pembuatan eNPoM terdiri dari dua tahap metode bottom-up: membungkus Au nanopartikel dengan lapisan PANI dalam larutan; Cermin datar Au surut surut.

Partikelnano Au koloidal dikemas dalam cangkang PANI tipis yang tidak terpisahkan oleh polimerisasi oksidatif kimia menggunakan surfaktan (masukkan di sudut kanan atas pada 2b ).

Selanjutnya, sampel yang diperoleh tertanam dalam ruang elektrokimia (sel) yang dibuat di laboratorium, yang dioptimalkan untuk pelacakan simultan dinamika optik dan listrik.

Cermin Au membentuk elektroda yang berfungsi, dan keadaan redoks pada kulit PANI dikendalikan dengan mengubah tegangan dari -0,2 ke 0,6 V dengan kecepatan pemindaian 50 mV / s. Kurva voltametri siklik rata-rata lebih dari 90 siklus ( 2a ) menunjukkan dua set puncak teroksidasi (atas) dan tereduksi (lebih rendah) dari tiga bentuk redoks PANI yang berbeda: PANI ⁰ - sepenuhnya dikurangi; PANI ¹⁺ semi-teroksidasi dan PANI ²⁺ teroksidasi penuh. Oleh karena itu, oksidasi lengkap dan reduksi eNPoM hanya terjadi pada kisaran potensial ∆V <1 V. Pada saat yang sama, spektrum hamburan “medan gelap” dari satu eNPoM diukur ( 2b dan 1d ).

Penerapan potensi negatif menyebabkan penurunan shell PANI (PANI ⁰ ), yang mengarah ke puncak hamburan pada c ⁰ = 642 nm. Dan kebalikan dari potensi mengarah ke pergeseran resonansi ke c ²⁺ = 578 nm, sedangkan ∆λ * = 64 nm konsisten dengan pemodelan yang dilakukan sebelumnya ( 1s ).

Pengamatan lebih lanjut dari spektrum hamburan medan gelap selama voltametri siklik menunjukkan switching optik yang sangat stabil dan reversibel ( 2c ) dengan dinamika yang sepenuhnya dapat direproduksi ( 2d ).

Pengamatan yang lebih penting adalah identitas semua eNPoM dalam hal dinamika optik: jika kondisi untuk semua nanopixel adalah sama, maka dinamika optiknya akan sama, yang sangat penting untuk metasurfaces homogen berskala besar.

Jarak bebas yang berbeda pada eNPoM

Gambar No. 3

Setelah pekerjaan persiapan, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa bagaimana parameter struktural eNPoM mempengaruhi pengalihan warna, khususnya, bagaimana eNPoM "celah", ditentukan oleh ketebalan shell pada permukaan Au nanopartikel, mempengaruhi proses ini. Untuk ini, beberapa sampel uji eNPoM dibuat dengan celah yang berbeda, sedangkan ketebalan cangkang meningkat dari 10 hingga 20 nm.

Sebagai hasilnya, 4 jenis eNPoM nanopixels diperoleh: 11, 13, 18, dan 20 nm ( 3a ). Para ilmuwan telah mengevaluasi dinamika listrik ( 3b ) dan optiknya ( 3c - 3f ).

Simulasi dan percobaan aktual dengan nanopixel berbeda menunjukkan hasil yang sama - pergeseran biru reversibel ( 3d ) dan penurunan intensitas ~ 50% ( 3e ) selama oksidasi.

Secara teori, menurut para ilmuwan, dengan penurunan celah, panjang gelombang resonansi dan rentang penyetelan spektralnya akan meningkat. Pada kenyataannya, semuanya ternyata berbeda - penipisan kulit PANI menyebabkan rentang warna yang lebih kecil selama siklus redoks. Peneliti menjelaskan ini dengan faktor struktural tambahan yang tidak diperhitungkan dalam pemodelan (dalam teori):

• ketidaksempurnaan bentuk bola dan ukuran Au nanopartikel;
• perbedaan dalam sifat optik PANI dengan ketebalan yang berbeda;
• heterogenitas kulit PANI yang menutupi nanopartikel;
• ~ 30% perubahan ketebalan cangkang selama proses redoks;
• heterogenitas proses redoks molekul shell PANI di celah.

Hasilnya, NPoM dengan cangkang lebih tebal (lebih dari 15 nm) menunjukkan karakteristik warna yang sangat baik dengan akurasi tinggi, konsisten dengan pemodelan matematika.

Pemantauan redoks

Perubahan warna pada perubahan dalam kondisi redoks polimer konduktif membuka kemungkinan pelacakan dinamika elektron terkait dalam saluran kecil di bawah nanopartikel tunggal individu dalam geometri NPoM ( 4a ).


Gambar No. 4

Ini memungkinkan Anda untuk memahami berapa banyak elektron yang diangkut melalui celah di eNPoM dan pada kecepatan berapa.

Kecepatan transfer elektron antara PANI dan cermin Au cukup tinggi mengingat fakta bahwa proses ini berlangsung tepat di nano-gap dengan transfer massa yang tidak signifikan. Ini memastikan bahwa sistem redoks bersifat reversibel secara elektrokimia. Arus puncak i _P pada kurva voltametri siklik dalam keadaan teroksidasi (atau berkurang) dari eNPoM secara linear sebanding dengan kecepatan pemindaian potensial n dengan pergeseran puncak terbatas.

Oleh karena itu, i _P = vF ² fA / RT dengan partisipasi dua elektron, di mana F adalah konstanta Faraday (C / mol), R adalah konstanta gas ideal (J / (mol ∙ K)), T adalah suhu sistem (K ), A adalah area elektroda kerja (m2), f adalah luas permukaan partikel pada elektroda (mol / m2).

Diberikan hubungan linier dengan n, f adalah konstan dan memberikan jumlah molekul PANI yang menjalani transfer elektron, yang diberikan oleh jumlah eNPoM pada elektroda. Ini akan memungkinkan Anda untuk mengkalibrasi jumlah elektron input / output dari setiap NPoM ( 4b ). Dengan demikian, kita dapat melihat dinamika elektron dalam celah NPoM individu yang terkait dengan tiga negara redoks PANI. Sekitar 30.000 elektron di setiap nanopartikel diangkut. Pengukuran dinamika optik menunjukkan dua transisi berbeda yang idealnya sesuai dengan dinamika elektron ( 4c ).

Kesimpulan utama dari pengamatan di atas adalah efisiensi energi nanopixels - ~ 80 dan ~ 200 AJ (attojoule, 1 AJ = 10 ⁻¹⁸ J) per 1 nm shift diperlukan untuk pergantian warna dari c ⁰ ke c ¹⁺ dan dari ^{1 +} ke c ²⁺ panjang gelombang.

Selanjutnya, para ilmuwan menganalisis switching optik eNPoMs tunggal dengan modulasi listrik persegi panjang yang lebih cepat ( 4d dari atas) untuk menentukan respon waktu. Dalam hal menerapkan lompatan tegangan dari 0,6 ke -0,2 V, yang menyebabkan pergeseran cepat dalam mode berpasangan dari c ⁰ ke c ²⁺ , transisi redoks yang tajam dari polimer diamati ( 4d dari bawah).

Waktu switching adalah 32 ms (oksidasi) dan 143 ms (menurun) dengan perubahan intensitas 47%. Peralihan warna yang dapat dibalik pada tingkat nanopartikel tunggal diamati sebagai respons terhadap potensi persegi panjang dari peningkatan frekuensi hingga 50 Hz ( 4e , 4f ).

Karena stabilitas negara muatan PANI, bistabilitas (dua negara kesetimbangan) dari eNPoM diamati. Selain itu, mode resonansi pada c ²⁺ dan c ⁰ bertahan selama> 10 menit. Dan ini adalah salah satu faktor dalam mengurangi konsumsi energi untuk perangkat berbasis teknologi ini.

Melakukan penskalaan metasurface eNPoM

Efisiensi energi tentu saja bagus, tetapi skalabilitas juga diperlukan. Lebih baik menggabungkan kedua indikator ini, menghindari litografi dalam produksi, seperti yang dikatakan para peneliti. Untuk mencapai hal ini, metode baru dalam merakit partikel nano melalui bimbingan meniscus * diterapkan.

Lensa meniskus * adalah lensa cekung-cembung atau cembung yang dibatasi oleh dua permukaan bola.

Fraksi volume partikel dalam larutan yang digunakan untuk pelapisan menentukan kepadatan partikel (fraksi pengisian) pada substrat cermin (gambar No. 5). Permukaan yang terdiri dari eNPoMs yang didistribusikan secara acak dengan fraksi isi 20% diperoleh dengan menggunakan 0,3% fraksi volume koloid asli.


Gambar No. 5

Interval ~ 100 nm memberikan kopling optik dekat-bidang minimum antara nanopartikel ( 5a ). Warna dikontrol hanya oleh celah di bawah setiap eNPoM. Metasurface eNPoM yang dihasilkan juga menunjukkan pergantian warna yang sangat baik dengan ∆λ * = 79 nm dan 57% kontras beralih di seluruh permukaan ( 5b - 5e ). Dengan kata lain, metasurface dari eNPoM menunjukkan sifat dan perilaku yang sama dengan eNPoM tunggal.

Kisaran warna dan dinamika dalam metasurface dapat ditingkatkan dengan mencampur nanopartikel yang berbeda atau dengan menggunakan nanopartikel ultraviolet plasmon.


Gambar No. 6

Grafik di atas menunjukkan seberapa baik karakteristik dari sistem yang dikembangkan berdasarkan pada eNPoM nanopixels. Pengaturan panjang gelombang yang terlihat, ukuran piksel ultra-kecil dan kecepatan switching sesuai dengan persyaratan modern (area hijau pada 5a ).

Para ilmuwan mencatat bahwa metasurface yang dikembangkan telah bekerja selama 3 bulan (pada saat penulisan laporan) pada kepadatan daya di bawah 300 mW / cm ² dan pada kerapatan piksel 109 per inci persegi.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda melihat laporan kelompok penelitian dan bahan - bahan tambahan untuknya.

Epilog

. , , , . -, .

— . . , .



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?