(Phys.org) —TV, sensores de imagen, iPads, Las cámaras digitales y otros dispositivos modernos utilizan filtros para mostrar la amplitud de colores disponibles en la parte visible del espectro electromagnético.

Los filtros de color convencionales suelen estar hechos de tintes orgánicos o productos químicos, pero pueden resultar dañados por el calor y la radiación ultravioleta (UVR), y son complicados y costosos de fabricar, especialmente para cámaras e imágenes en miniatura.

Por estas razones, dice Beibei Zeng, los ingenieros están recurriendo a filtros de color plasmónicos (PCF), que se basan en plasmones de superficie, o la oscilación colectiva de electrones en interfaces metal / dieléctrico. Estos filtros se fabrican fabricando, en una fina película de metal, conjuntos de orificios con diámetros de 100 nanómetros o menos (1 nm equivale a una mil millonésima parte de un metro).

Al variar la geometría de estos nanoagujeros:su diámetro, forma, periodicidad y patrón:es posible controlar los colores que se transmiten y crear transmitir un amplio espectro de colores para aplicaciones de imágenes.

"Los PCF tienen muchas ventajas, "dice Zeng, quien es un Ph.D. candidato en ingeniería eléctrica. "Son fáciles de hacer y se ajustan fácilmente a una amplia gama de colores. Además, son muy estables y no son vulnerables a los daños por calor, humedad o UVR ".

En su estado actual de desarrollo, sin embargo, Los PCF tienen una gran desventaja:la eficiencia con la que transmiten la luz es solo de alrededor del 30 por ciento, menos de la mitad de la tasa de eficiencia de transmisión del 80 por ciento lograda por los filtros de color convencionales.

Zeng dirige un equipo de investigación de Lehigh que ha desarrollado un nuevo esquema PCF que logra una eficiencia de transmisión del 60 al 70 por ciento. El método se basa en un enfoque de filtrado sustractivo que difiere fundamentalmente de los filtros aditivos que se emplean normalmente en los PCF.

El grupo informó sus resultados recientemente en un artículo titulado "Metales nanoestructurados ultrafinos para filtros de color sustractivos plasmónicos altamente transmisivos, "que fue publicado por Informes científicos , una publicación del grupo Nature. El artículo fue escrito por Zeng; Filbert J. Bartoli, presidente del departamento y profesor de ingeniería eléctrica e informática y asesor de Zeng; y Yongkang Gao, quien recientemente completó su Ph.D. en ingeniería eléctrica en Lehigh.

Aprovechar los avances en nanofabricación

Los filtros de color sustractivos (SCF) se utilizan ampliamente en sensores de imagen, dice Zeng. Tienen ventajas sobre los filtros de color aditivos (ACF) en la intensidad de la señal de color y la transmisión de luz. pero los investigadores aún no han podido producir SCF plasmónicos de alto rendimiento.

El grupo de Zeng demostró que podía aumentar la eficiencia de los SCF plasmónicos en un estudio que combinó el diseño teórico, simulación, fabricación utilizando litografía de haz de iones enfocado, y demostración experimental.

"Somos afortunados en Lehigh de tener amplias capacidades de investigación interdisciplinaria, ", dice Zeng." Después de hacer el trabajo teórico, fabricamos dispositivos y luego realizamos experimentos que nos dicen si los dispositivos funcionarán o no ".

El trabajo teórico y la simulación ayudaron a su grupo a aclarar la física subyacente de lo que Zeng llama el fenómeno "contraintuitivo" de la transmisión extraordinariamente baja (ELT) en películas metálicas ultrafinas con nanopatrones. Reportado relativamente recientemente, Los investigadores consideran que ELT es prometedor para el desarrollo de nuevos filtros de polarización.

El grupo de Zeng exploró ELT en una película de plata de 30 nm de espesor con un patrón de nanorejillas unidimensionales y logró un filtrado de color sustractivo con una eficiencia de transmisión de hasta el 70 por ciento. Fueron capaces de generar cian, colores magenta y amarillo eliminando sus componentes complementarios (rojo, azul y verde) de la parte visible del espectro electromagnético.

Avances recientes en nanofabricación, dice Zeng, permitió a su grupo trabajar con las películas ultrafinas, que son casi un orden de magnitud más delgadas que las películas de 200 nm de espesor sobre las que se graban típicamente los PCF aditivos. El modelado de las películas de metal plateado ultradelgadas ha provocado cambios críticos en sus propiedades físicas y ópticas y ha permitido al grupo aumentar significativamente la eficiencia de transmisión de los SCF plasmónicos.

"La relativa delgadez de nuestros filtros provoca un acoplamiento en las resonancias electromagnéticas en la parte superior e inferior de la superficie metálica, "dice Zeng." Esto no ocurre con películas de metal más gruesas. Sin este acoplamiento, ocurre un pico de transmisión; con eso, el pico se convierte en un valle y provoca una caída en la transmisión.

"Podemos controlar esta caída de transmisión ajustando las dimensiones de las nanoestructuras en la película de metal. Hace solo unos años, no podríamos fabricar estructuras tan delgadas. Ahora podemos fabricar nanoestructuras de forma sistemática y lograr un control preciso de los colores transmitidos a través de las películas nanoestructuradas ".

Además de lograr una eficiencia de transmisión cercana a la de los sensores de imagen comerciales, los SCF plasmónicos aumentan la resolución espacial al producir tamaños de píxeles ultracompactos, que se requieren en televisores de alta definición y en los últimos teléfonos inteligentes. Esto ocurre debido a las interacciones de corto alcance de los polaritones del plasmón de superficie (SPP) entre nanoestructuras vecinas en resonancias ELT.

Este filtrado de color dependiente de la polarización, el grupo escribe en Informes científicos , da a los SCF plasmónicos 1-D el potencial de "funcionar como ventanas transparentes bajo polarización eléctrica transversal" y los hace "muy atractivos" para pantallas transparentes de próxima generación.

"Estas características únicas que dependen de la polarización permiten que las mismas estructuras funcionen como filtros de color o como ventanas muy transparentes bajo diferentes polarizaciones, abriendo una vía hacia pantallas transparentes de alta definición ".

"Las pantallas transparentes actuales están limitadas actualmente por su baja resolución espacial y su gama de colores deficiente, ", dice Zeng." Nuestro trabajo con SCF plasmónicos ha resuelto ambos problemas. Podemos obtener el color que queramos y con una resolución muy alta gracias a nuestros tamaños de píxeles ultracompactos ".

El artículo del grupo se ha descargado más de 1, 300 veces desde que se publicó en octubre, y fue citado recientemente en un artículo publicado por Nano letras .