Ein neuartiges plasmonisches Metall

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Jul 09, 2023

Ein neuartiges plasmonisches Metall

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14029 (2023) Diesen Artikel zitieren 678 Zugriffe 1 Details zu altmetrischen Metriken Farberkennung ist eines der Hauptinteressen sowohl in der Biologie als auch in der Industrie

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14029 (2023) Diesen Artikel zitieren

678 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Farberkennung ist eines der Hauptinteressen sowohl in biologischen als auch in industriellen Anwendungen. Insbesondere die Bestimmung der Lichtwelleneigenschaften ist in der photonischen Technologie von entscheidender Bedeutung. Eines der Merkmale im Farbsinn, die ermittelt werden sollten, ist seine Wellenlänge oder Farbe. In dieser Arbeit schlagen wir eine Struktur vor, mit der RGB-Farben auf effiziente Weise separat erkannt werden können. Der vorgeschlagene Detektor besteht aus dem plasmonischen Filter, der die gewünschte Wellenlänge (rot, grün und blau) erfasst, und der PN-Diode, um die empfangenen Photonen in elektrischen Strom umzuwandeln. Bei einer Eingangsintensität von 1 mW × cm−2 beträgt die Stromdichte für die Farben Blau, Grün und Rot 27, 35 bzw. 48 µA × cm−2. Es wird gezeigt, dass die zum Erhalt der Stromdichten von 0,1 µA × cm−2 erforderlichen Intensitäten 3,94, 2,98 und 2,25 µW × cm−2 für die blauen, grünen und roten Spektren betragen. Es sollte erwähnt werden, dass durch die Verwendung hochpräziser Fotodetektorstrukturen wie PIN-Diode der minimal nachweisbare Pegel verringert werden kann. Einfache Anpassung an die gewünschte Wellenlänge und linearer Betrieb für unterschiedliche Eingangsintensitäten sind die Merkmale der entworfenen Struktur. Dieser Detektor ist mit der CMOS-Technologie kompatibel und kann problemlos in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in ladungsgekoppelten Geräten, Displays und Kameras.

Seit dem Aufkommen der photonischen Technologie ist die Entwicklung eines effizienten Detektors für Forscher von großem Interesse. Fotodetektoren sind solche Geräte, bei denen die Intensität des einfallenden Lichts in elektrischen Strom umgewandelt wird. Im Allgemeinen ist diese Umwandlung empfindlich gegenüber der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Infrarot- (IR) und Detektoren für sichtbares Licht (VLDs) haben unzählige Anwendungen in photonischen Bereichen wie medizinischer und militärischer Bildgebung, optischer Kommunikation und modernen Kameras1,2,3,4,5,6,7,8. Das elektromagnetische Spektrum zwischen 400 und 700 nm wird als sichtbares Licht bezeichnet, das durch VLDs erfasst werden sollte. Die getrennte und effiziente Erkennung der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) ist die Grundaufgabe von VLDs. Mit anderen Worten: Bei diesen Detektoren muss eine Farbfilterung durchgeführt werden.

Die Farberkennung ist die Grundfunktion von Bilderfassungsgeräten wie CMOS-basierten Geräten9,10,11 und mehrfarbigen Hologrammen12. Farbfilter auf Basis von Pigmenten und Farbstoffen werden traditionell in organischen lichtemittierenden Geräten (OLEDs) und Flüssigkristallanzeigen (LCDs)13,14 verwendet. Diese Filter sind nicht ausreichend zuverlässig, da organische Materialien eine geringe chemische Stabilität aufweisen11. Darüber hinaus sind die organischen Filtermaterialien mit den Integrationsprozessen nicht kompatibel11. Die Verwendung von Metamaterialien, Nanodraht-Wellenleitern, Quantenpunkten und Plasmonik sind die Alternativen zum Entwurf von Farbfiltern15,16,17,18. Beim plasmonischen Phänomen kann die Oberflächenresonanz an der Metall-Isolator-Grenzfläche, Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) genannt, genutzt werden, um eine mehrschichtige Struktur zu entwerfen, die eine gewünschte Wellenlänge einfängt und als Filter fungiert19,20,21. Die einfache Implementierung plasmonischer Strukturen führt dazu, dass Forscher Plasmonik in breiten Anwendungen wie Wellenleitung, optische Sensorik, Absorber und Filter einsetzen22,23,24,25. Aus Filtersicht kann die plasmonische Struktur leicht durch die Dicke der Isolatorschicht angepasst werden, um die Resonanzfrequenz und anschließend das gefilterte Spektrum zu ändern26,27,28.

Plasmonische Filter können hauptsächlich in zwei Typen unterteilt werden: statische und dynamische29. Im Gegensatz zum statischen Fall zeigt der dynamische Fall je nach Polarisation des einfallenden Lichts30,31, Hitze oder mechanischer Belastung, die auf das Gerät ausgeübt wird32,33,34, unterschiedliche Eigenschaften. Gitter-, periodische, Subwellenlängen- und hybridisierte Nanolöcher35,36,37 und Nanoscheibenarrays17,37 sind einige Beispiele für statische Filter. Die Haltbarkeit und Auflösung der plasmonischen Filter ist besser als die der nicht-plasmonischen. Aus diesem Grund haben wir die plasmonische Struktur zum Entwurf des Farbfilters verwendet29,38,39,40.

In diesem Artikel schlagen wir einen mehrschichtigen plasmonischen Fotodetektor vor, der drei isolierte Teile enthält, die sich auf RGB-Farben beziehen. Jeder Teil erzeugt einen Strom, verbunden mit der Lichtintensität bei der entsprechenden Wellenlänge. Darüber hinaus kann aufgrund der Abhängigkeit der gefilterten Wellenlänge von der Dicke der Halbleiterschicht, die durch Lithographie realisiert werden kann, jede gewünschte Wellenlänge im sichtbaren Spektrum erreicht werden. Zur Demonstration des Transmissionsspektrums wird eine Finite-Differenzen-Zeitdomänensimulation (FDTD) der entworfenen Struktur durchgeführt. Anschließend werden die in der PN-Diode erzeugten Stromdichten jeder Farbe ermittelt. Es wird erwartet, dass die Verwendung der effizienteren Fotodiode anstelle der einfachen PN zu besseren Funktionen führt. Diese Fähigkeit macht das vorgeschlagene Gerät mit der bestehenden Planartechnologie kompatibel. Darüber hinaus wird die Stromabhängigkeit von der einfallenden Lichtintensität, der Art der Oxidschicht (SiO2 und Si3N4) und den Detektorabmessungen untersucht.

Das Gerät ist darauf ausgelegt, einige der vordefinierten Wellenlängen im sichtbaren Spektrum zu erkennen. Das Schema der Struktur (Farbfilter) ist in Abb. 1 dargestellt. Es besteht aus drei isolierten Teilen für die Farben Rot, Blau und Grün. Jeder Teil ist hauptsächlich in den Filterabschnitt und die Fotodiode unterteilt. Der Filter sorgt für die maximale Transmission bei der gewünschten Wellenlänge, und dann erzeugt die Fotodiode den Strom bei der entsprechenden Wellenlänge. Der Filter ist eine Metall-Halbleiter-Isolator-Metall-Struktur (MSIM). Silber und Silizium sind die Metall- bzw. Halbleiterbestandteile. Die Isolatorschicht kann Siliziumoxid oder Siliziumnitrid sein. Die Dicke der Silber- und Isolierschicht beträgt 10 und 50 nm. Allerdings hängt die Dicke der Siliziumschicht von der Wellenlänge ab, die erfasst werden soll. Dabei wird das Silizium bei 50, 70 und 100 nm für Blau, Grün bzw. Rot bestimmt. Die Fotodiode besteht aus einer einfachen Silizium-PN-Diode mit einer Dicke von 10 µm.

(a) 3D-Ansicht des Geräts. VR, VG und VB sind die Vorspannungen, die an den Kontakt im roten, grünen und blauen Bereich angelegt werden. (b) 2D-Ansicht des Geräts. Die Dicke der Silber- und Siliziumdioxidschichten beträgt in allen Regionen 10 und 50 nm. Die Dicke der Siliziumschichten für den roten, grünen und blauen Bereich beträgt LR = 100 nm, LG = 70 nm bzw. LB = 50 nm. Die Dicke der Diode beträgt 10 µm.

Zunächst wird die Methode der finiten Differenzzeitdomäne (FDTD) verwendet, um das Übertragungsspektrum des vorgeschlagenen Geräts durch Lösen der Maxwell-Gleichungen zu bewerten. Dieses Spektrum wird zur Berechnung der Absorption über die Integration von Absorptionsspektren unter Verwendung von A(r) = ∫A(r, ω)dω verwendet. Die ortsabhängige Absorption A(r,ω) ergibt sich aus Gl. 1 wobei E(r, ω) das gesamte elektrische Feld ist, einschließlich der einfallenden und gestreuten Felder, Im ε(r, ω) der Imaginärteil der Permittivität und Pin die Leistung der Eingangsintensität41.

Die Erzeugungsrate ist notwendig, um die Stromdichte zu erhalten. Die Gesamterzeugungsrate wird durch G(r) = ∫g(r, ω)dω berechnet, wobei G und g die Gesamt- bzw. frequenzabhängigen Erzeugungsraten sind. Die Erzeugungsrate bei der spezifischen Frequenz wird durch Gleichung erhalten. (2) wobei Pabs die absorbierte Leistung ist41,42.

Schließlich sind die Poisson-, Kontinuitäts- und Drift-Diffusionsgleichungen in den Gleichungen dargestellt. (3), (4) bzw. (5) werden in der Diode selbstkonsistent gelöst, indem die erhaltene Erzeugungsrate angewendet und die Finite-Elemente-Methode verwendet wird.

In Gl. (3) ND und NA sind die Dichte ionisierter Donor- bzw. Akzeptoratome. Die oben genannte Erzeugungsrate wird in den Kontinuitätsgleichungen verwendet. In dieser Gleichung stellt R die Rekombinationsrate dar. In den Drift-Diffusions-Gleichungen, die zu Stromdichten führen, sind μn, μp, Dn und Dp Elektronen- und Lochmobilitäten bzw. ihre Diffusionskoeffizienten43.

Die Siliziumschicht des Filters gilt als intrinsisch; In der Diode wird jedoch davon ausgegangen, dass die Dotierung von P und N 2 × 1016 cm–3 bzw. 2 × 1017 cm–3 beträgt. Darüber hinaus werden Mobilitäten von 1471 bzw. 470,5 cm2/V s für Elektron und Loch angenommen. Darüber hinaus soll das einfallende sichtbare Licht eine ebene Welle sein.

Das durchgelassene Licht wurde unter jedem Teil der Struktur, der den RGB-Farben entspricht, ausgewertet, um die Funktionsweise des Geräts unter Transmissionsgesichtspunkten zu untersuchen. Abbildung 2 zeigt die Transmissionsspektren des Geräts im sichtbaren Band. Das durchgezogene Blau, das gestrichelte Grün und die gepunktete rote Linie entsprechen der Übertragung, bei der die Ausgangswelle separat unterhalb des für Blau, Grün bzw. Rot vorgesehenen Teils der Struktur überwacht wurde. Die Spitzenfrequenzen und zugehörigen Qualitätsfaktoren sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im blauen Bereich beträgt der Maximalwert der Transmission 0,47 bei der Wellenlänge 450 nm. Dieses Maximum tritt bei Wellenlängen von 530 und 610 nm für den grünen und roten Teil des Spektrums mit Werten von 0,6 bzw. 0,71 auf. Die Qualitätsfaktoren für blaue, grüne und rote Spektren betragen 7,5, 7,91 bzw. 7,92. Der Unterschied in der Amplitude des ausgegebenen Lichts bei RGB-Farben entsteht durch die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge. Die erhaltenen Spektren sind analog zu CIE 1931; Daher ist das Gerät grundsätzlich für Kameras und künstliche Augen geeignet44. Darüber hinaus kann in jedem RGB-Bereich die Spitzenwellenlänge durch Anpassung der Abmessung der Siliziumschicht leicht geändert werden.

Die Transmissionsspektren für ein Gerät mit der SiO2-Schicht. Die durchgezogene blaue Linie entspricht der Transmission direkt unter dem Teil der Struktur, der sich auf die blaue Farbe bezieht. Ebenso stellen die gestrichelten grünen und gepunkteten roten Linien die Übertragungen dar, bei denen die Ausgangswellen oberhalb der PN-Diode genau unterhalb des jeweiligen Bereichs überwacht werden.

Das Übersprechen des Farbfilters, ein wichtiger Parameter für die Verwendung des Filters als Bildsensor, wurde durch die Gleichungen berechnet. 6, 7 und 8 für die blauen, grünen und roten Spektren45. TB, TG und TR stellen die Übertragungen für die blauen, grünen und roten Bereiche dar. Die berechneten Übersprecheffekte sind in Tabelle 2 angegeben. Die in den Zeilen und Spalten genannten Farben beziehen sich auf die Referenz- und überlappenden Spektren, die in den Nennern und Zählern der Gleichungen eingefügt sind. (6), (7) bzw. (8).

Die Absorption wurde mithilfe der im vorherigen Abschnitt genannten Gleichungen ermittelt. Folglich wurde die ortsabhängige Erzeugung für jede Farbe erfasst, dargestellt in Abb. 3a. Dabei stellt z die Position der Diode von z = − 10 um bis z = 0 dar. Wie erwartet ist die Erzeugung bei z = 0 maximal und nimmt aufgrund der Absorptionsreduzierung in der Diode bis zum gemeinsamen Kontakt exponentiell ab. Die Anwendung dieser Erzeugung auf die Kontinuitätsgleichung und die Verwendung der Drift-Diffusions-Gleichungen führen zu den in Abb. 3b dargestellten Stromdichten. Diese Abbildung zeigt die Stromdichten, die durch drei Kontakte der Struktur gegeben sind. Die durchgezogene blaue Linie ist die Stromdichte im Kontakt VB (Abb. 1), bezogen auf den Bereich, in dem die Siliziumschicht 50 nm beträgt. Ebenso sind die gestrichelten grünen und gepunkteten roten Linien die Stromdichten in den Kontakten VG bzw. VR. Darüber hinaus zeigt die schwarze strichpunktierte Linie die Stromdichte an, wenn das Gerät nicht beleuchtet wurde. Aus diesem Grund ist die Dichte bei allen Kontakten ungefähr Null. Es ist klar, dass die höhere Transmission der roten Farbe zu einer höheren Gesamterzeugung führt, was zu einer höheren Stromdichte im Vergleich zu den Farben Blau und Grün führt.

(a) Positionsabhängige Erzeugung über die Diode. Durchgezogene blaue, gestrichelte grüne und gepunktete rote Linien sind die Generation, die am Ende der drei Bereiche des Filterteils erhalten wird, die den RGB-Farben entsprechen. (b) Stromdichten für RGB-Farben im Verhältnis zur Vorspannung. Die blaue durchgezogene Linie ist die Stromdichte im Kontakt von VB. Die Dichten in den Kontakten von VG und VR wurden durch grün gestrichelte bzw. gepunktete rote Linien dargestellt. Ohne Beleuchtung ergibt sich die schwarze strichpunktierte Linie, bei der die Stromdichte bei allen Kontakten etwa Null ist.

Für eine weitere qualitative Bewertung des Übersprechens wurde die Struktur mit der Welle beleuchtet, die den Teil des sichtbaren Spektrums enthält. Zunächst wurde das in Abb. 4a dargestellte Spektrum zwischen 440 und 460 nm (innerhalb des blauen Spektrums) auf das Gerät angewendet. In dieser Situation sind die erhaltenen Stromdichten in Abb. 4b dargestellt. Wie man sieht, ist der vom VB-Kontakt abgegebene Strom größer als bei anderen. Die auf die blaue Farbe bezogene Stromdichte im Kontakt beträgt 27,1 µA × cm−2; Für die Farben Grün und Rot beträgt sie jedoch 35,1 bzw. 47,7 µA × cm−2. Als Kriterium wurde die Intensität ermittelt, die erforderlich ist, um die Stromdichte von 0,1 µA × cm−2 zu erreichen. Diese Intensität für die blauen, grünen und roten Bereiche beträgt 3,94, 2,98 bzw. 2,25 µW × cm−2.

(a) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 450 nm und einer Bandbreite von 20 nm. (b) Die erhaltenen Stromdichten aus drei Bereichen der Struktur. Die durchgezogenen blauen, gestrichelten und roten gepunkteten Linien stellen die aktuellen Dichten der jeweiligen Regionen dar.

Wendet man das Spektrum zwischen 520 und 540 nm (Abb. 5a) auf den Farbfilter an, ergeben sich die in Abb. 5b dargestellten Stromdichten, wobei der grüne Bereich die Stromdichte von 97 µA × cm−2 darstellt, also mindestens drei Ordnungen mehr als in anderen Regionen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Absorptionsanteil der blauen und roten Bereiche deutlich geringer ist als der des grünen Bereichs.

(a) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 530 nm und einer Bandbreite von 20 nm. (b) Die erhaltenen Stromdichten von drei Bereichen der Struktur. Die durchgezogenen blauen, gestrichelten und roten gepunkteten Linien stellen die aktuellen Dichten der jeweiligen Regionen dar.

Zur Beurteilung des roten Bereichs des Farbfilters wird das Eingangsspektrum des Lichts zwischen 600 und 620 nm berücksichtigt, wie in Abb. 6a dargestellt. Die in Abb. 6b dargestellten erhaltenen Stromdichten zeigen, dass der Strom im roten Bereich 147 µA × cm−2 beträgt. Dieser Wert ist etwa sechs Größenordnungen höher als die aktuelle Dichte des blauen Bereichs und sieben Größenordnungen höher als die des roten Bereichs.

(a) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 610 nm und einer Bandbreite von 20 nm. (b) Die erhaltenen Stromdichten von drei Bereichen der Struktur. Die durchgezogenen blauen, gestrichelten und roten gepunkteten Linien stellen die aktuellen Dichten der jeweiligen Regionen dar.

Die in den Abb. gezeigten Gaußschen Strahlen. 4 und 5 mit unterschiedlichen Intensitäten werden an das Gerät angelegt, um die Auswirkung der Eingangsintensität auf die Stromdichte zu untersuchen. Die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt. Je höher die Eingangsintensität, desto höher die Stromdichte. In Abb. 7a wird das blaue Spektrum zwischen 430 und 460 nm mit Intensitäten von 0,5, 1, 2, 3 und 4 mW × cm−2 auf den Farbfilter aufgetragen. Dies führt zu maximalen Stromdichten von 18,1, 41,7, 88,9, 136 bzw. 184 µA × cm−2. Wenn die Eingangsintensität im grünen Spektrum (520 bis 540 nm) liegt, betragen die maximalen Stromdichten 41,17, 89, 183, 278 und 373 µA × cm−2 für die sogenannten jeweiligen Eingangsintensitäten. Die höhere durchgelassene Intensität im roten Spektrum führt zu höheren Stromintensitäten als im grünen und blauen Spektrum. Die maximalen Stromdichten von 66,9, 139, 284, 429 und 574 µA × cm−2 werden für Eingangsintensitäten von 0,5, 1, 2, 3 bzw. 4 mW × cm−2 erhalten, wenn das Eingangsspektrum dazwischen liegt 615 und 635 nm. Wie aus Abb. 7 ersichtlich ist, ist die Stromdichte linear bezüglich der Eingangsintensität. Abbildung 8 veranschaulicht diesen linearen Vorgang besser. In dieser Abbildung sind die Stromdichten bei 0,25 [V] gegenüber den Eingangsintensitäten dargestellt, wenn das elektrische Feld innerhalb der erwähnten blauen, grünen und roten Spektren als Gaußsches Feld betrachtet wird.

Die Stromdichten bei unterschiedlichen Eingangsintensitäten in den blauen (a), grünen (b) und roten (c) Kontakten. (a) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 450 nm und einer Bandbreite von 20 nm (Abb. 4a). (b) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 530 nm und einer Bandbreite von 20 nm (Abb. 5a). (c) Das Spektrum der einfallenden Welle ist ein Gaußscher Strahl mit einer Mittenfrequenz von 610 nm und einer Bandbreite von 20 nm (Abb. 6a).

Die Stromdichte im Vergleich zur Eingangsintensität bei 0,25 [V]. Die durchgezogene blaue Linie steht für das Eingangsspektrum von 430 bis 460 nm. Die grüne gestrichelte Linie und die rote gepunktete Linie werden erhalten, wenn das Eingangsspektrum 520 bis 540 nm bzw. 600 bis 620 nm beträgt.

Wie bereits erwähnt beträgt die Dicke der SiO2-Schicht 50 nm. Die Änderung dieser Dimension kann zu einer Änderung der Stromdichte führen; Daher wurde eine Untersuchung des Einflusses der Dicke der SiO2-Schicht durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Abb. 9 dargestellt. Wie man sieht, beträgt die beste Abmessung der SiO2-Schicht 50 nm, was zu den maximalen Stromdichten für alle drei Farben führt obwohl die Änderung der Stromdichten bei Dicken zwischen 45 und 55 nm vernachlässigbar ist. Daher sind bei der Geräteherstellung Abweichungen von wenigen Nanometern in der SiO2-Dicke unbedeutend.

Aktuelle Dichte für RGB-Farben in Bezug auf die Dicke der SiO2-Schicht.

Eine weitere entscheidende Dimension beim Filterbetrieb ist die Dimension der Si-Schicht. Diese Schicht bestimmt, welche Wellenlänge mit minimaler Reflexion übertragen werden kann. Ähnlich wie bei der SiO2-Schicht wurde die Dicke der Si-Schicht geändert, um ihren Einfluss auf die Stromdichten zu bewerten. Im blauen Bereich ist, wie aus Abb. 10a deutlich wird, der Einfluss dieser Änderung um den gewählten Wert (50 nm) vernachlässigbar. Für die Farben Grün und Rot führt die Änderung der Si-Schicht zu kleinen Änderungen der Stromdichten, wie in Abb. 10b,c dargestellt. Aus diesen Gründen ist die vorgeschlagene Vorrichtung vom Gesichtspunkt der Herstellung her zuverlässig.

Die Auswirkung einer Änderung der Dicke der Si-Schicht auf die Stromdichten. Es wird davon ausgegangen, dass die Änderung um die ausgewählten Dimensionen erfolgt, die jeweils 50 nm, 70 nm und 100 nm für das blaue, grüne und rote Spektrum betragen. (a) Für das blaue Spektrum. (b) Für das grüne Spektrum. (c) Für das rote Spektrum.

Für eine bessere Funktion kann die SiO2-Schicht durch einen anderen Isolator, beispielsweise Si3N4, ersetzt werden. Die Dicke der Si3N4-Schicht wird für die blauen, grünen und roten Spektren mit 50, 70 bzw. 100 nm angenommen, was genau den Dicken der SiO2-Schichten entspricht. Dieser Austausch führte zu den Transmissionsspektren in Abb. 11a. Ein Vergleich dieser Abbildung mit Abb. 2 zeigt, dass der Betrieb des Geräts gefördert wird. Der Transmissionswert für alle Farben ist besser als zuvor. Ein höherer Transmissionswert führt zu höheren Stromdichten, wie in Abb. 11b dargestellt. Die maximalen Stromdichten für die blauen, grünen und roten Bereiche betragen 37,7, 49,3 bzw. 60,9 µA × cm−2.

(a) Die Transmissionsspektren, wenn die SiO2-Schicht durch Si3N4 ersetzt wird. Die durchgezogene blaue Linie entspricht der Transmission direkt unter dem Teil der Struktur, der sich auf die blaue Farbe bezieht. Ebenso stellen die gestrichelten grünen und gepunkteten roten Linien die Übertragungen dar, bei denen die Ausgangswellen oberhalb der PN-Diode genau unterhalb des jeweiligen Bereichs überwacht werden. (b) Stromdichten für RGB-Farben im Verhältnis zur Vorspannung. Die blaue durchgezogene Linie ist die Stromdichte im Kontakt von VB. Die Dichten in den Kontakten von VG und VR wurden durch grün gestrichelte bzw. gepunktete rote Linien dargestellt. Ohne Beleuchtung ergibt sich die schwarze strichpunktierte Linie, bei der die Stromdichte bei allen Kontakten etwa Null ist.

Es wurde ein auf der plasmonischen Mehrschichtstruktur basierender Farbfilter vorgeschlagen, bei dem drei isolierte Teile so konzipiert sind, dass sie drei RGB-Farben separat erkennen. Jeder Teil besteht aus zwei Hauptabschnitten: Filterung und Diode. Die Filterung umfasst das SiO2 bzw. den Isolator Si und zwei Silberschichten. Die Dicke von Silber und Isolator beträgt 10 bzw. 50 nm. Allerdings beträgt die Dicke der Si-Schicht für die jeweiligen Farben Blau, Grün und Rot 50, 70 und 100 nm. Die Diode galt als einfache PN. Für einen besseren Betrieb können anspruchsvollere Strukturen für die Diode verwendet werden. Das Gerät wurde simuliert, um die Transmissionsspektren für drei RGB-Bereiche zu erhalten. Mithilfe der Transmission wurden kontinuierlich die Erzeugungs- und Stromdichten für jede Farbe ermittelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Isolator- und Si-Schichtdicke auf die Stromdichten untersucht. Abschließend wurde die SiO2-Schicht durch die Si3N4-Schicht ersetzt, um zu zeigen, dass der Betrieb des Geräts sogar verbessert werden kann. Die Stromdichten erhöhen sich für Blau und Grün um etwa 40 Prozent und für Rot um 10 Prozent.

Alle im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Iqbal, MA et al. Auf Nanostrukturen/Graphen/Siliziumverbindungen basierende Hochleistungs-Photodetektionssysteme: Fortschritte, Herausforderungen und zukünftige Trends. Adv. Mater. Schnittstellen 10(7), 2202208 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Bao, C. et al. Hochleistungsfähige und stabile vollständig anorganische Fotodetektoren auf Metallhalogenid-Perowskit-Basis für optische Kommunikationsanwendungen. Adv. Mater. 30(38), 1803422 (2018).

Artikel Google Scholar

Wang, P. et al. Arrayierte Van-Der-Waals-Breitbanddetektoren für die Dualband-Detektion. Adv. Mater. 29(16), 1604439 (2017).

Artikel Google Scholar

Armin, A. et al. Schmalbandige Lichtdetektion durch interne Quanteneffizienzmanipulation organischer Fotodioden. Nat. Komm. 6(1), 6343 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Chan, WCW & Nie, S. Quantenpunkt-Biokonjugate für den hochempfindlichen nichtisotopischen Nachweis. Science 281(5385), 2016–2018 (1998).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhou, L. et al. Einzelband-Upconversion-Nanosonden für die gleichzeitige multiplexierte molekulare In-situ-Kartierung von Krebsbiomarkern. Nat. Komm. 6(1), 6938 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Matsumoto, A. et al. Quantitative Elementaranalyse von Metallionen in wässrigen Lösungen vor Ort durch laserinduzierte Zerfallsspektroskopie unter Wasser kombiniert mit Elektroabscheidung unter kontrolliertem Potential. Anal. Chem. 87(3), 1655–1661 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, C. et al. Hochempfindliche, schnell reagierende Perowskit-Fotodetektoren, demonstriert in der Schwachlichterkennungsschaltung und im Kommunikationssystem für sichtbares Licht. Klein 15(44), 1903599 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Meng, F. et al. Nanostrukturierte Farbfilter für CMOS-Bildsensoren. IEEE Photonics Technol. Lette. https://doi.org/10.1109/LPT.2023.3268350 (2023).

Artikel Google Scholar

Wang, B. et al. Vollständig dielektrischer Metaoberflächen-Farbfilter im CMOS-Bildsensor. Opt. Komm. 540, 129485 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Shaukat, A., Noble, F. & Arif, KM Nanostrukturierte Farbfilter: Ein Überblick über aktuelle Entwicklungen. Nanomaterialien 10(8), 1554 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Khaleghi, SSM et al. Mehrfarbige Detour-Phasenhologramme basierend auf einem plasmonischen Al-Farbfilter. Opt. Express 31(2), 2061–2071 (2023).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Koo, H.-S., Chen, Mi. & Pan, P.-C. LCD-basierte Farbfilterfolien, hergestellt mit pigmentbasierten, fotoresistenten Farbstofftinten und Drucktechnologie. Thin Solid Films 515(3), 896–901 (2006).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Gather, MC et al. Lösungsverarbeitete vollfarbige organische Leuchtdiodendisplays aus Polymeren, hergestellt durch direkte Photolithographie. Adv. Funktion. Mater. 17(2), 191–200 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Xu, J. et al. Wellenlängenkonvertierte/selektive Wellenleitung basierend auf in der Zusammensetzung abgestuften Halbleiter-Nanodrähten. Nano Lett. 12(9), 5003–5007 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Walia, J. et al. Farberzeugung und Brechungsindexmessung mittels Beugung an 2D-Silizium-Nanodraht-Arrays. Small 10(1), 144–151 (2014).

Artikel MathSciNet CAS PubMed Google Scholar

Yue, W. et al. Hochreflektierende subtraktive Farbfilter, die auf einer Silizium-Metaoberfläche basieren, die mit nanostrukturierten Aluminiumspiegeln integriert ist. Laser Photonics Rev. 11(3), 1600285 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Kang, Y. et al. Quantenpunkte für Displays mit großem Farbspektrum von Photolumineszenz bis Elektrolumineszenz. Nanoskalige Res. Lette. 12(1), 1–8 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Barnes, WL, Dereux, A. & Ebbesen, TW Oberflächenplasmon-Subwellenlängenoptik. Nature 424(6950), 824–830 (2003).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Genet, C. & Ebbesen, TW Licht in winzigen Löchern. Nature 445(7123), 39–46 (2007).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Atwater, HA Das Versprechen der Plasmonik. Wissenschaft. Bin. 296(4), 56–63 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gao, Y. et al. Singlemode-Graphen-beschichteter plasmonischer Nanodraht-Wellenleiter. Opt. Lette. 39(20), 5909–5912 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Beheshti Asl, A. et al. Ein perfekt elektrisch abstimmbarer Metamaterialabsorber auf Graphenbasis. J. Comput. Elektron. 20, 864–872 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, W. et al. Refraktäre Plasmonik mit Titannitrid: Breitbandiger Metamaterialabsorber. Adv. Mater. 26(47), 7959–7965 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kazuma, E. & Tatsuma, T. Lokalisierte Oberflächenplasmonresonanzsensoren basierend auf wellenlängenabstimmbaren spektralen Einbrüchen. Nanoscale 6(4), 2397–2405 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Shakya, JR, Shashi, FH & Wang, AX Plasmonische Farbfilter-Array-basierte Spektroskopie mit sichtbarem Licht. Wissenschaft. Rep. 11(1), 23687 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Asl, AB, Rostami, A. & Amiri, IS Terahertz-Bandpassfilterdesign unter Verwendung mehrschichtiger Metamaterialien. Opt. Quantenelektron. 52, 1–13 (2020).

Artikel Google Scholar

Fleischman, D. et al. Hyperselektive plasmonische Farbfilter. Opt. Express 25(22), 27386–27395 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Song, M. et al. Farben mit plasmonischen Nanostrukturen: Ein Überblick über das gesamte Spektrum. Appl. Physik. Rev. 6(4), 041308 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Song, M. et al. Farbdarstellung und Verschlüsselung mit einem plasmonisch polarisierenden Metaspiegel. Nanophotonik 7(1), 323–331 (2018).

Artikel Google Scholar

Li, Z., Clark, AW & Cooper, JM Zweifarbige plasmonische Pixel erzeugen eine polarisationskontrollierte Nano-Farbpalette. ACS Nano 10(1), 492–498 (2016).

Artikel PubMed Google Scholar

Shu, F.-Z. et al. Dynamische plasmonische Farberzeugung basierend auf dem Phasenübergang von Vanadiumdioxid. Adv. Opt. Mater. 6(7), 1700939 (2018).

Artikel Google Scholar

Chiang, Y.-L. et al. Mechanisch abstimmbare Oberflächenplasmonenresonanz basierend auf Goldnanopartikeln und einem elastischen Membran-Polydimethylsiloxan-Komposit. Appl. Physik. Lette. 96(4), 041904 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Zhang, Y. et al. Vollständig sichtbare multifunktionale Aluminium-Metaoberflächen durch anisotropen thermoplasmonischen In-situ-Laserdruck. Nanoskaliger Horiz. 4(3), 601–609 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Xu, T. et al. Plasmonische Nanoresonatoren für hochauflösende Farbfilterung und spektrale Bildgebung. Nat. Komm. 1(1), 59 (2010).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Cheng, F. et al. Struktureller Farbdruck basierend auf plasmonischen Metaoberflächen mit perfekter Lichtabsorption. Wissenschaft. Rep. 5(1), 11045 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Clausen, JS et al. Plasmonische Metaoberflächen zur Einfärbung von Konsumgütern aus Kunststoff. Nano Lett. 14(8), 4499–4504 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Si, G. et al. Reflektierende plasmonische Farbfilter basierend auf lithographisch strukturierten Silber-Nanostäbchen-Arrays. Nanoscale 5(14), 6243–6248 (2013).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Goh, XM et al. Vergleichende Untersuchung plasmonischer Farben aus Ganzmetallstrukturen von Pfosten und Gruben. ACS Photonics 3(6), 1000–1009 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Shaltout, AM et al. Ultradünne und mehrfarbige optische Hohlräume mit eingebetteten Metaoberflächen. Nat. Komm. 9(1), 2673 (2018).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Heidarzadeh, H. et al. Plasmonenverstärkte Leistung einer ultradünnen Siliziumsolarzelle unter Verwendung halbkugelförmiger Metall-Halbleiter-Kern-Schale-Nanopartikel und eines metallischen Rückengitters. Appl. Opt. 55(7), 1779–1785 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Surawijaya, A. et al. Modellierung und Simulation eines Si-Gitter-Fotodetektors, der mit der MACE-Methode für das NIR-Spektrum hergestellt wurde. Elektronik 12(3), 663 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Neamen, DA Semiconductor Physics, and Devices Basic Principles (Tata McGraw Hill Publishing, 1992).

Google Scholar

Lian, Y. et al. Strukturfarbe eines Multiordnungs-Fabry-Perot-Resonators basierend auf Sc0.2Sb2Te3 verstärkter gesättigter Reflexionsfarbe. Photonik 10(1), 70 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, Y. et al. Räumliches optisches Übersprechen in CMOS-Bildsensoren mit integrierten plasmonischen Farbfiltern. Opt. Express 23(17), 21994–22003 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Forschungslabor für Photonik und Nanokristalle (PNRL), Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Universität Tabriz, Tabriz, Iran

A. Beheshti Asl, H. Ahmadi und A. Rostami

SP-EPT Lab., ASEPE Company, Industrial Park of Advanced Technologies, Tabriz, Iran

H. Ahmadi & A. Rostami

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ABA hat die Arbeit geschrieben und die Ergebnisse simuliert. HA simulierte die Ergebnisse und schrieb die Arbeit und AR überwachte das Projekt, schlug die Grundidee vor und redigierte das Manuskript.

Korrespondenz mit A. Rostami.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Asl, AB, Ahmadi, H. & Rostami, A. Ein neuartiger plasmonischer Metall-Halbleiter-Isolator-Metall-Farbsensor (MSIM), der mit der CMOS-Technologie kompatibel ist. Sci Rep 13, 14029 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41346-4

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Eingegangen: 29. Juni 2023

Angenommen: 24. August 2023

Veröffentlicht: 28. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41346-4

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