Un nuovo metallo plasmonica

Jun 22, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14029 (2023) Citare questo articolo

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Il rilevamento del colore è uno degli interessi principali sia nelle applicazioni biologiche che industriali. Nello specifico, la determinazione delle caratteristiche delle onde luminose è vitale nella tecnologia fotonica. Una delle caratteristiche del senso del colore che dovrebbe essere scoperta è la sua lunghezza d'onda o colore. In questo lavoro proponiamo una struttura che può essere utilizzata per rilevare separatamente i colori RGB in modo efficiente. Il rilevatore proposto è costituito dal filtro plasmonico che rileva la lunghezza d'onda desiderata (rosso, verde e blu) e dal diodo PN per convertire i fotoni ricevuti in corrente elettrica. All'intensità di ingresso di 1 mW × cm−2, la densità di corrente per i colori blu, verde e rosso è rispettivamente 27, 35 e 48 µA × cm−2. È dimostrato che le intensità necessarie per ottenere le densità di corrente di 0,1 µA × cm−2 sono 3,94, 2,98 e 2,25 µW × cm−2 rispettivamente per gli spettri blu, verde e rosso. Va menzionato che utilizzando strutture fotorilevatrici ad alta precisione come il diodo PIN, il livello minimo rilevabile può essere ridotto. La semplice regolazione della lunghezza d'onda desiderata e il funzionamento lineare per diverse intensità di ingresso sono le caratteristiche della struttura progettata. Questo rilevatore è compatibile con la tecnologia CMOS e può essere facilmente utilizzato in numerose applicazioni, come dispositivi ad accoppiamento di carica, display e fotocamere.

Sin dalla comparsa della tecnologia fotonica, la progettazione di un rilevatore efficiente ha suscitato grande interesse tra i ricercatori. I fotorilevatori sono dispositivi in ​​cui l'intensità della luce incidente viene convertita in corrente elettrica. Generalmente, questa conversione è sensibile alla lunghezza d'onda della luce incidente. I rilevatori di infrarossi (IR) e di luce visibile (VLD) hanno una miriade di applicazioni in questioni basate sulla fotonica come l'imaging medico e militare, la comunicazione ottica e le moderne fotocamere1,2,3,4,5,6,7,8. Lo spettro elettromagnetico compreso tra 400 e 700 nm è chiamato luce visibile e dovrebbe essere rilevato tramite VLD. Il rilevamento dei colori rosso, verde e blu (RGB) separatamente ed efficientemente è il compito fondamentale dei VLD. In altre parole, in questi rilevatori deve essere eseguito il filtraggio del colore.

Il rilevamento del colore è la funzione di base dei dispositivi di rilevamento delle immagini come quelli basati su CMOS9,10,11 e gli ologrammi multicolori12. I filtri colorati basati su pigmenti e coloranti sono stati tradizionalmente utilizzati nei dispositivi organici a emissione di luce (OLED) e nei display a cristalli liquidi (LCD)13,14. Questi filtri non sono sufficientemente affidabili perché i materiali organici hanno una bassa stabilità chimica11. Inoltre i materiali filtranti organici sono incompatibili con i processi di integrazione11. L'uso di metamateriali, guide d'onda di nanofili, punti quantici e plasmonica sono le alternative alla progettazione di filtri colorati15,16,17,18. Nel fenomeno plasmonico, la risonanza superficiale sull'interfaccia metallo-isolante, chiamata risonanza plasmonica superficiale (SPR), può essere utilizzata per progettare una struttura multistrato per intrappolare una lunghezza d'onda desiderata e agire come un filtro19,20,21. La semplice implementazione delle strutture plasmoniche porta i ricercatori a utilizzare la plasmonica in ampie applicazioni come guida d'onda, rilevamento ottico, assorbitori e filtri22,23,24,25. Dal punto di vista del filtraggio, la struttura plasmonica può essere facilmente regolata dallo spessore dello strato isolante per modificare la frequenza di risonanza e, successivamente, lo spettro filtrato26,27,28.

I filtri plasmonici possono essere principalmente suddivisi in due tipologie: statici e dinamici29. A differenza del caso statico, quello dinamico mostra caratteristiche diverse a seconda della polarizzazione della luce incidente30,31, del calore o dello stress meccanico applicato al dispositivo32,33,34. Reticolo, periodici, subwavelength e nanofori ibridati35,36,37 e array di nanodischi17,37 sono alcuni esempi introdotti per i filtri statici. La durabilità e la risoluzione dei filtri plasmonici sono migliori di quelli non plasmonici. Per questo motivo abbiamo utilizzato la struttura a base plasmonica per progettare il filtro colorato29,38,39,40.