我的像素为您提供了什么：使用等离激元超表面创建纳米像素

看一下屏幕。 你看到了什么？ 网站页面上有文字和图片，对吗？ 但是，如果您深入研究？ 所有这些元素，在语义负载和表达方式上都不同，由称为像素的数字视觉“原子”组成。 除某些独立游戏外，像素越多越好。 像宇宙中的任何“原子”一样，像素也有其特定的属性和局限性。 至少是以前。 今天，我们将熟悉一项研究，该研究描述了一种创建新型像素的方法，该像素比目前的像素小数百倍，而且更好。 科学家如何成功地获得成功，新像素具有什么惊人的特性，这些像素可以帮助我们了解《权力的游戏》第八季第三季的黑暗中发生了什么？ 我们将在研究小组的报告中寻找答案。 走吧

学习基础

我们经常从各种渠道听到“像素”一词。 一部配备20兆像素摄像头的新型智能手机，一款新的像素独立游戏，一种像素艺术，以及与提利昂·兰尼斯特（Tyrion Lannister）在2015年取得的非常不成功的电影“像素”，即 与彼得·丁克拉格（Peter Dinklage）（抱歉，《权力的游戏》马拉松后的PTSD）等。

用科学术语来说，像素是二维图像中最小的逻辑元素（体素在三维中扮演着这个角色）。 如果您将屏幕上的任何图片与大海进行比较，那么一个像素就是一滴海水，夸张地说。

像素为圆形或矩形（正方形）。 与间谍电影和有关超级侦探的电视节目不同，如果您放大数字图像，迟早会变成一堆不同颜色的正方形，而不是超级清晰的图像。


权力的游戏海报与夜晚的国王。

像素一词本身有一个天文起源。 1965年，喷气推进实验室的弗雷德里克·比林斯利（Frederick Billingsley）首次使用该词来描述来自月球和火星太空探测器的视频图像的图形元素。 同时，Billingsley先生不是单词形成领域的先驱，因为在他之前，这个单词是Keith MacFarland在1963年使用的。 英文版的“ 像素 ”可以分为两个部分-“ 像素 ”（ 图片 -图像）和“ el ”（ 元素 -元素）。

历史就是历史，但是我们不是为了它而聚集在这里，而是为了新发现。

这项研究基于先前我们在之前的文章中所涉及的超表面。

超材料*是一种（由多个组件组成的）复合材料，其特性与其基本元素（拓扑结构，体系结构等）的依赖程度不大取决于其组成元素的属性。

反过来， 超表面是二维类型的超材料，其特征是在光工作时损耗低且易于制造。

最近，科学家越来越关注等离激元* （不要与等离子混淆）元表面。

等离子体*是与等离子体振荡的量化相对应的准粒子，等离子体振荡是自由电子气的集体振荡。

但是，尽管具有所有技术优势，但在处理等离激元超表面方面始终存在困难。

在这项研究中，科学家描述了一种创建新型可缩放，电控超表面的方法。 在创建新项目的过程中，使用了自下而上的方法（从较小的元素（即从较小到较大）形成纳米粒子）。 现在更详细。

样品制备

科学家提醒我们，等离子体共振与贵金属的纳米结构相结合，已经成为改善某些光学现象和过程的绝佳工具。

由于等离激元组件具有宽的色谱范围和非常小的尺寸，甚至比普通像素还小，因此在纳米光刻中使用等离激元来创建显示器也非常有前途。 但是直到今天，有可能使用非常复杂的调整和布置散射元素的过程来完全实现静态色彩，从而克服了对光偏振，视角和照明的依赖性。 换句话说，以前是可能的，但是该死的困难。

科学家们说，如果我们想获得活跃的等离激元颜色，就必须从外部控制环境的光学特性。 例如，如果等离子超颖表面与电致变色材料（导电聚合物和具有相变的材料）结合使用，则当电致变色材料的电荷状态发生变化时，人们可以“开/关”。 与仅提供电致变色材料的系统相比，这已经使刷新率和光学对比度翻了一番。

考虑到等离激元的大小控制着RGB *像素的颜色生成，科学家已经使用电/化学手段使等离激元纳米粒子用作小型光学开关/像素。

RGB * （红色，绿色，蓝色）或GLC（红色，绿色，蓝色）是加色模型。

例如，由于对银壳厚度的电化学控制或氧化还原反应，涂覆有银（银）壳的金（金）纳米结构表现出宽广的色彩动力学。 但是，这种纳米结构的寿命很短（不超过1个月），其开关速度也很低（超过0.5 s）。

这些缺点主要与银有关。 当它沉淀得太频繁或经常经历氧化/还原过程时，离子扩散会变慢，并导致纳米级形态快速变化。 事实证明该方法是好的且可行的，但不是很耐用。

达到要求的另一种方法是使用内部带有绝缘垫片（NPoM）的多层等离子体复合材料。

NPoM-纳米粒子在镜子上（纳米粒子在镜子上）。

另一个好处是，无需使用有问题的光刻技术就可以创建此类复合材料，但精度将降至原子级。


图片编号1

这种结构的主要优点是，纳米颗粒将其单个细胞内部的光强烈地限制在下面的反射镜上，因此产生了非常局限的光学谐振器（上图）。 因此，纳米颗粒变得彼此独立并且对入射光的角度和偏振不敏感。

科学家们指出，以前从未使用过类似的技术来创建显示器。 他们的主要任务是实现大规模生产NPoM的能力，同时保持单个纳米像素的独立性。

科学家在他们的工作中描述了eNPoM的产生 -电致变色纳米粒子在镜面上，纳米粒子由包裹在聚苯胺的导电聚合物壳中的金纳米粒子形成。

最大的成就是eNPoM的性能和能源效率。 切换外壳的电荷状态，可以使波长> 100 nm的共振散射eNPoM的颜色快速变化。 对于每个1 nm的波长偏移，这种系统中的有源纳米像素仅需要约0.2 fJ（飞焦耳，1 fJ = 10 ^-15 J）的能量。

ENPoM理论

基于局部表面等离振子共振（ LSPR ）的颜色动力学通过改变围绕等离激元纳米材料的介质的折射率，移动LSPR峰的位置来起作用。 可以从LSPR的灵敏度推断出适当的颜色调整：



其中λ是谐振器波长， x是金属纳米粒子的形状因子（如果为2，则为球形），， _m是金属纳米粒子的介电常数，n是围绕纳米粒子的介质的折射率。 在最佳情况下，Δn应该较大，提供n〜1来保持LSPR在可见光区域的共振，并使Δλ*调谐到整个可见光谱。

在这种情况下，使用等离子体纳米颗粒是一种合理的解决方案，但存在许多问题。 Δn大的无机材料的形状因子>2。因此，它们的LSPR共振处于近红外（NIR）中，不适用于等离激元颜色应用。 可以使用n <1.7的敏感聚合物。 但是用这种材料很难调节和调节颜色。

事实证明，不可能应用经典方法，或者说可以，但是结果将很微弱。 这就是为什么科学家使用eNPoM（ 1a ）的原因，它由封装在聚苯胺壳（以下称PANI）中的Au纳米颗粒组成。 这种NPoM拓扑将自身表现为互不相互作用的等离激元等离子体对的二聚体对，这会导致间隙中耦合的光场放大，称为“热点”（ 1b ）。 该区域导致附加的耦合共振的形成和仅由Au纳米颗粒支撑的约550nm的横向模式。

更换周围的光学介质可以调整此共振，并且此时的横向模式实际上不会改变。 围绕每个纳米粒子的PANI壳的超低体积（〜3x10 -4μm-3）的氧化还原状态的变化。

在使用有限时差法（ 1s ）进行建模后，研究人员认为，eNPoM中PANI的完全氧化还原效应可以导致散射波长大于100 nm的可见位移，即比仅由纳米颗粒支持的散射波长大300％（没有聚苯胺壳的参与）。 在PANI ⁰的还原状态下^，相关的eNPoM共振出现在c ⁰ = 675 nm处，当被氧化成PANI ^2+时 ，在c ²⁺ = 575 nm处发生向蓝色的转变。

最佳的eNPoM散射可预测100 nm的颜色范围，并且对比度可调节为43％（ 1s ）。 这样的观察表明，获得具有低光学损耗和高空间分辨率的定制/可切换颜色的真正机会，这一点已通过在具有一个纳米像素（ 1d ）的设备上进行的实验得到了证实。

创建eNPoM

图片编号2

创建eNPoM的过程包括自下而上方法的两个阶段：在溶液中用PANI涂层包裹Au纳米颗粒； 退潮的金平镜。

胶态金纳米颗粒通过使用表面活性剂（插入在2b的右上角）的化学氧化聚合反应封装在完整的PANI薄壳中。

此外，将获得的样品嵌入实验室中创建的电化学室（电池）中，并对其进行优化以同时跟踪光学和电气动力学。

金镜形成工作电极，并且通过以50 mV / s的扫描速度将电压从-0.2变为0.6 V，来控制PANI壳的氧化还原状态。 在90个循环（ 2a ）上平均的循环伏安曲线显示了PANI的三种不同氧化还原形式的两组氧化峰（上部）和还原峰（下部）：PANI ^0-完全还原； PANI ¹⁺被半氧化，PANI ²⁺被完全氧化。 因此，eNPoM的完全氧化和还原仅在电位范围∆V <1 V内发生。同时，测量了一个eNPoM的“暗场”散射光谱（ 2b和1d ）。

施加负电位会导致PANI壳层（PANI ⁰ ）减少，从而导致在c ⁰ = 642 nm处出现散射峰。 电位的反向导致共振移至c ²⁺ = 578 nm，而∆λ * = 64 nm与之前进行的建模（ 1s ）一致。

在循环伏安法中对暗场散射光谱的进一步观察显示出高度稳定且可逆的光学开关（ 2c ），具有完全可再现的动力学（ 2d ）。

一个更重要的观察结果是所有eNPoM的光学动力学特性：如果所有纳米像素的条件相同，则它们的光学动力学将会相同，这对于大规模均匀的超颖表面极为重要。

eNPoM上的不同间隙

图片编号3

在准备工作之后，科学家决定检查eNPoM的结构参数如何影响颜色转换，尤其是由Au纳米粒子表面的壳厚度决定的eNPoM“间隙”如何影响该过程。 为此，创建了几个具有不同间隙的eNPoM测试样品，而外壳厚度从10纳米增加到20纳米。

结果，获得了四种类型的eNPoM纳米像素：11、13、18和20nm（ 3a ）。 科学家评估了它们的电学（ 3b ）和光学动力学（ 3c - 3f ）。

用不同的纳米像素进行的模拟和实际实验显示了相似的结果-可逆的蓝移（ 3d ）和在氧化过程中强度降低了〜50％（ 3e ）。

从理论上讲，根据科学家的说法，随着间隙的减小，谐振波的长度及其频谱调谐范围应增加。 实际上，一切都不同了-PANI外壳的变薄导致在氧化还原循环中颜色范围变小。 研究人员通过建模中没有考虑到的其他结构性因素对此进行了解释（理论上）：

• 金纳米颗粒的球形和大小的缺陷；
• 不同厚度的PANI的光学特性的差异；
• 覆盖纳米颗粒的PANI壳的异质性；
• 在氧化还原过程中，外壳厚度变化约30％；
• 间隙中PANI壳分子的氧化还原过程的异质性。

结果，具有更厚外壳（大于15 nm）的NPoM表现出了优异的色彩特性，具有很高的准确度，与数学建模一致。

氧化还原监控

导电聚合物的氧化还原状态发生变化时，颜色会发生变化，从而有可能在NPoM几何体（ 4a ）中的单个单个纳米颗粒下跟踪微小通道中的相关电子动力学。


图片编号4

这使您可以了解多少电子通过eNPoM的间隙传输以及传输速度如何。

鉴于以下事实，PANI和Au镜之间的电子转移速率非常高，即该过程在质量差很小的纳米间隙中精确进行。 这确保了氧化还原系统是电化学可逆的。 eNPoM处于氧化（或还原）状态时，循环伏安曲线上的峰值电流i _P与电势扫描速度n成线性比例，且峰值漂移有限。

因此，i _P = vF ² fA / RT，有两个电子参与，其中F是法拉第常数（C / mol），R是理想气体常数（J /（mol∙K）），T是系统温度（K ），A是工作电极的面积（m ² ），f是电极上颗粒的表面积（mol / m ² ）。

给定与n的线性关系，f为常数，并给出经历电子转移的PANI分子数，这由电极上的eNPoM数给出。 这将允许您校准每个NPoM（ 4b ）的输入/输出电子数。 因此，可以看到与三种不同的PANI氧化还原态相关的单个NPoM的间隙中的电子动力学。 每个纳米粒子中约有30,000个电子被传输。 光学动力学的测量显示出两个截然不同的跃迁，这些跃迁理想地对应于电子动力学（ 4c ）。

从以上观察得出的主要结论是，从c ⁰到c ¹⁺和从^{1 +}到c ^2+的颜色切换需要每1 nm位移〜80和〜200 AJ（原子焦耳，1 AJ = 10 ^-18 J）纳米像素的能量效率。波长。

接下来，科学家分析了具有更快矩形电调制（从上方起4d ）的单个eNPoM的光开关，以确定时间响应。 在施加从0.6到-0.2 V的电压跃变，导致耦合模式从c ⁰到c ^2+的快速移动的情况下，观察到聚合物的急剧氧化还原转变（从底部开始4d ）。

切换时间为32毫秒（氧化）和143毫秒（降低），强度变化为47％。 响应于将频率增加到50 Hz（ 4e ， 4f ）的矩形电位，观察到了单个纳米颗粒水平的可逆颜色切换。

由于PANI电荷状态的稳定性，可以观察到eNPoM的双稳态（两个平衡状态）。 此外，在c ²⁺和c ⁰处的共振模式持续> 10分钟。 这是减少基于该技术的设备的能耗的因素之一。

缩放eNPoM元表面

能源效率固然很好，但也需要可扩展性。 研究人员说，最好将这两个指标结合起来，避免在生产中使用光刻技术。 为了实现这一目标，应用了一种通过弯液面引导组装纳米颗粒的新方法。

弯月面*是由两个球面界定的凹凸透镜。

用于涂覆的溶液中颗粒的体积分数决定了镜面基板上的颗粒密度（填充分数）（图像编号5）。 使用原始胶体体积分数的0.3％获得由填充比例为20％的随机分布的eNPoM组成的表面。


图片编号5

〜100 nm的间隔提供了纳米粒子（ 5a ）之间的最小近场光学耦合。 颜色仅受每个eNPoM下的缝隙控制。 最终增加的eNPoM亚表面也表现出出色的颜色切换，Δλ* = 79 nm，整个表面（ 5b - 5e ）的对比度切换为57％。 换句话说，来自eNPoM的超表面表现出与单个eNPoM相同的特性和行为。

通过混合不同的纳米颗粒或通过使用紫外线等离激元纳米颗粒，可以改善超颖表面的颜色范围和动力学。


图片编号6

上图显示了基于eNPoM纳米像素的已开发系统的性能如何。可见波长，超小像素尺寸和切换速度的设置符合现代要求（5a处的绿色区域）。

科学家注意到，发达的超颖表面已经在功率密度低于300 mW / cm ²且像素密度为每平方英寸109的条件下工作了3个月（撰写本文时）。

为了更详细地了解研究的细微差别，我建议您研究研究组的报告及其补充材料。

结语

我们今天检查的研究属于改进现有技术的范畴。但是，与此同时，科学家使用了非常激进的纳米技术方法来达到预期的结果，他们称之为纳米技术。光在纳米级上表现得非常不寻常，了解光的特性和特性使您可以创建新设备并改进现有设备。

发达的纳米像素可以在各个领域找到其应用-从房屋大小的陈列到伪装材料。科学家们对此充满信心。他们将继续致力于其发明，扩大其能力并改善其特性。



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