Desarrollo y análisis de un nano.

Jun 20, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13387 (2023) Citar este artículo

222 Accesos

Detalles de métricas

A medida que la sociedad se vuelve más inteligente, las tecnologías avanzadas de detección óptica e imágenes que utilizan regiones visibles e infrarrojas cercanas se han vuelto cada vez más frecuentes. Los polarizadores de rejilla, que están disponibles para ondas electromagnéticas de banda ancha, son eficaces para mejorar la relación señal-ruido de dichos sistemas ópticos y permitir una detección y análisis de objetos más avanzados. Sin embargo, para implementarlos en productos cotidianos, se deben desarrollar métodos de fabricación de bajo costo manteniendo al mismo tiempo funciones ópticas de alto rendimiento. Para cumplir con estos requisitos, realizamos un análisis de la geometría de los polarizadores de rejilla de alambre y diseñamos y desarrollamos un polarizador de rejilla de alambre con una estructura nanotriangular en forma de onda que se puede fabricar utilizando equipos de fabricación de uso general. Una vez preparado el molde, este polarizador se puede fabricar mediante nanoimpresión y deposición de metal con un ángulo normal o procesos de revestimiento no electrolítico. El polarizador fabricado mediante revestimiento de Ni químico logra una transmitancia del 40%, que es aproximadamente 1,4 veces mayor que la lograda en un estudio anterior utilizando revestimiento de Ni químico en una estructura rectangular con el mismo período. Además, el polarizador fabricado mediante deposición de Al en ángulo normal opera en una amplia gama de longitudes de onda, desde luz visible hasta infrarrojo cercano, y logra una relación de extinción de polarización de 24 dB a una longitud de onda de 550 nm y una alta transmitancia del 81%. Se pueden obtener polarizadores de alto rendimiento mediante deposición en ángulo normal utilizando equipos de uso general, en contraste con el método de deposición en ángulo oblicuo empleado en la fabricación de polarizadores de rejilla de alambre con estructura rectangular convencional, lo que contribuye a la reducción de costos y a una mejor capacidad de fabricación.

Los polarizadores son elementos ópticos importantes utilizados en tecnologías ópticas, como la detección óptica y la obtención de imágenes ópticas; En el futuro, con la construcción de una sociedad inteligente, la demanda de polarizadores aumentará aún más. Sus aplicaciones que utilizan luz visible e infrarroja cercana no se limitan a pantallas; En los últimos años se han utilizado en sistemas de detección y alcance de luz para conducción automática1,2,3,4, robots5,6, teléfonos inteligentes7, sistemas de imágenes biológicas8,9,10 y sistemas de seguridad11,12. Como resultado, la investigación y el desarrollo de polarizadores han avanzado significativamente, lo que ha llevado a la aparición de polarizadores metamateriales13,14, polarizadores de nanotubos de carbono15,16,17 y polarizadores multicapa18,19, que han sido propuestos y demostrados. La mayoría de los polarizadores actuales en el mercado son polarizadores a base de tintes dicroicos. Ampliar la gama de longitudes de onda funcionales es un desafío y la elección de polarizadores en la región del infrarrojo cercano es limitada20,21. Los polarizadores de rejilla de alambre (WGP) son candidatos prometedores porque exhiben un alto rendimiento en longitudes de onda de banda ancha desde la luz visible hasta la región del infrarrojo cercano al controlar la forma y el material de la estructura anisotrópica de longitud de onda inferior.

Sin embargo, el alto coste de fabricación de los WGP típicos limita su aplicación. Para ser adoptado en varios tipos de sistemas ópticos en el futuro, se requiere un método de fabricación de bajo costo. Para fabricar estructuras metálicas con las sublongitudes de onda requeridas, un enfoque más ortodoxo es utilizar litografía por haz de electrones y grabado con Al. Como enfoques alternativos, se han informado métodos que utilizan exposición a interferencias22 y nanoimpresión23,24 en lugar de litografía por haz de electrones. La nanoimpresión es un método de formación basado en moldes que es relativamente económico entre los métodos de formación de nanoestructuras. Posteriormente, se han informado varios métodos basados ​​en procesos de nanoimpresión que no requieren grabado de Al, como la deposición en ángulo oblicuo25,26,27 y la deposición en ángulo oblicuo28,29. Como no es necesaria la eliminación de partes metálicas innecesarias, se puede acortar el proceso de fabricación y mejorar la capacidad de fabricación. Sin embargo, debido a que se necesita equipo especial para la deposición en ángulo oblicuo y la precisión requerida del ángulo de deposición es alta, se han informado varios WGP que utilizan deposición al vacío en ángulos normales que pueden fabricarse utilizando equipos de uso general30,31,32,33. 34,35. Además, también se han informado WGP producidos mediante procesos de solución que no utilizan el método de deposición al vacío36,37,38,39; sin embargo, su rendimiento es inferior en comparación con el de los WGP producidos mediante deposición al vacío. Por lo tanto, existe un interés renovado en la investigación y el desarrollo de WGP de bajo costo y alto rendimiento para su implementación en aplicaciones de próxima generación. Se espera que la realización de esta tecnología contribuya significativamente a la difusión de sistemas avanzados de procesamiento de imágenes y sensores ópticos y a lograr una sociedad inteligente más segura.

En este estudio, desarrollamos un polarizador nanotriangular en forma de onda (nano-TWP) de alto rendimiento mediante un proceso de fabricación que involucra nanoimpresión y deposición al vacío de Al en ángulo normal. Este nano-TWP es adecuado para métodos de formación de películas delgadas metálicas de bajo costo, como el revestimiento de Ni no electrolítico y la deposición de ángulo normal, porque la función óptica se obtiene formando una estructura de onda nanotriangular en la superficie del sustrato y la película metálica a lo largo. la superficie. La estructura de onda nanotriangular exhibe excelentes propiedades de desmoldeo y mejora la durabilidad del molde porque causa una fricción insignificante en la dirección de desmoldeo durante el proceso de nanoimpresión. Nuestra investigación permitirá a ingenieros de una amplia gama de campos fabricar prototipos de polarizadores simplemente preparando sustratos con superficies nanotriangulares en forma de onda, facilitando así el desarrollo de productos de aplicación que utilicen polarizadores. Por lo tanto, la fabricación de nano-TWP mediante revestimiento no electrolítico o deposición al vacío y la demostración de su función de polarización tendrá un impacto significativo no solo en el mundo académico sino también en la industria.

El revestimiento de Ni electrolítico se utiliza ampliamente en la industria automotriz y otras industrias; por lo tanto, es razonable realizar investigaciones para mejorar las propiedades polarizantes utilizando un proceso líquido de bajo costo. La Figura 1a muestra la imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) en sección transversal de un nano-TWP fabricado mediante revestimiento de Ni no electrolítico. Tal como se diseñó, se formó una estructura ondulada triangular continua casi sin áreas planas en la superficie de la lámina de policarbonato, y se formó con éxito una película de Ni de manera uniforme en la superficie de la lámina de policarbonato. En la estructura de onda nanotriangular, el ciclo de trabajo de la porción de Ni en la capa en una determinada posición en el eje z fue casi constante desde la punta hasta la parte inferior de la estructura, y el valor D promedio fue del 20%, como observado en la Fig. 1a. Las Figuras 1b, c muestran la transmitancia en los espectros de incidencia de luz polarizada x y relación de extinción de polarización (PER) medidos utilizando el tiempo de recubrimiento no electrolítico, respectivamente. Las mediciones se realizaron utilizando un espectrofotómetro (SolidSpec-3700, Shimadzu Corporation). El espesor de la película de Ni se puede controlar mediante el tiempo de recubrimiento no electrolítico; cuanto mayor sea el tiempo de recubrimiento, más gruesa será la película. En comparación con el tiempo de procesamiento, Tx disminuyó gradualmente del 54 al 14 % a medida que el tiempo de procesamiento aumentó de 70 a 150 s en una longitud de onda de 550 nm, que está cerca de la sensibilidad máxima del ojo humano. A una longitud de onda de 1550 nm, que se utiliza en sistemas de detección de infrarrojo cercano, la Tx fue del 83 % en un tiempo de procesamiento de 70 s y del 48 % en un tiempo de procesamiento de 150 s. El PER calculado a partir de los Tx y Ty medidos tendió a aumentar a medida que aumentaba el tiempo de procesamiento; sin embargo, no aumentó a un ritmo constante. A una longitud de onda de 550 nm, el PER fue de 13 dB en un tiempo de procesamiento de 70 s, y el PER máximo de 27 dB se obtuvo en un tiempo de procesamiento de 135 s. El PER a una longitud de onda de 1550 nm fue menor que el de 550 nm en todos los tiempos de tratamiento: 7 dB en un tiempo de tratamiento de 70 s y 21 dB en un tiempo de tratamiento de 150 s. En comparación con un estudio anterior39, el revestimiento de Ni no electrolítico sobre una estructura rectangular con el mismo período mostró una transmitancia única (Tx + Ty)/2 del 14% a un PER similar a una longitud de onda de 550 nm, mientras que para el nano-TWP, se obtuvo una transmitancia única del 20%, aproximadamente 1,4 veces mayor, en el tiempo de tratamiento de 80 s. Aunque la tasa de mejora de la transmitancia fue relativamente baja, los resultados experimentales mostraron que la transmitancia se puede mejorar utilizando la estructura de onda nanotriangular en comparación con la estructura rectangular convencional mientras se mantiene un PER adecuado en la producción de nano-TWP mediante revestimiento de Ni no electrolítico.

(a) Imagen SEM transversal del nano-TWP fabricado mediante revestimiento de Ni no electrolítico. Se midieron (b) espectros de transmitancia y (c) espectros PER en función del tiempo de recubrimiento no electrolítico.

La evaporación de Al se utiliza en varios WGP convencionales en las regiones visible e infrarroja cercana. Si se puede realizar un WGP altamente funcional utilizando la deposición en ángulo normal sin aplicar el método de deposición en ángulo oblicuo, que requiere equipo especial y control de ángulo preciso, puede beneficiar significativamente a la industria en términos de capacidad de fabricación y rendimiento. Las Figuras 2a, b muestran fotografías del nano-TWP fabricado sostenido contra la imagen polarizada en disposiciones de Nicols paralelas y cruzadas, respectivamente. La Figura 2c muestra la imagen SEM del nano-TWP fabricado mediante deposición de Al en ángulo normal. Se formó una fina película de Al en toda la superficie de la estructura de onda triangular. En este caso, el espesor de Al formado en la parte superior de la estructura fue de 41 nm, y el ancho de Al formado en la pared lateral de la estructura inclinada en la dirección x fue de aproximadamente 17 nm en promedio. Por lo tanto, el ciclo de trabajo promedio de la porción de Al en la capa en una determinada posición en el eje z fue del 24 %, y es posible formar D por debajo de un cierto valor desde la punta hasta el fondo. La Figura 2d, e muestra la transmitancia medida y los espectros PER, respectivamente, en función del espesor de la película de Al depositada. En la figura 2d, las líneas continua y discontinua representan Tx y Ty, respectivamente. Los espesores de las películas de Al depositadas fueron 41 nm, 68 nm y 80 nm, y confirmamos que el D promedio aumentó según el espesor de la película; el D promedio fue del 37% cuando el espesor de la película fue de 80 nm. Cuanto más delgada es la película, mayor es la transmitancia única; cuanto más gruesa es la película, mayor es el PER. Cuando el espesor de la película era de 80 nm, se obtuvo un PER de 28 dB a una longitud de onda de 550 nm y de aproximadamente 30 dB en la región del infrarrojo cercano. Se obtuvo un equilibrio adecuado entre la transmitancia única y el PER a un espesor de película de 68 nm, con una transmitancia única del 41% y un PER de 24 dB a una longitud de onda de 550 nm así como una transmitancia única del 47% y un PER de 27. dB a una longitud de onda de 1550 nm. Se logró un valor cercano al límite teórico del 50% para la transmitancia única de un polarizador normal, incluido el sustrato base. En la Tabla 1 se resume una comparación del rendimiento óptico del nano-TWP fabricado y los WGP convencionales. Se enumeran los siguientes WGP convencionales: los fabricados utilizando litografía costosa y métodos de grabado de Al y que utilizan tres métodos de deposición diferentes basados ​​en nanoimpresión. En comparación con los WGP con deposición de ángulo normal, se observó una mejora significativa en la transmitancia cambiando solo la estructura de la onda de rectangular a triangular, a pesar de que el método de fabricación era el mismo. Además, en comparación con los WGP con deposición en ángulo oblicuo, se obtuvo casi el mismo rendimiento óptico, aunque el PER fue ligeramente inferior. La ventaja de la deposición en ángulo normal es que se puede implementar utilizando equipos de deposición de uso general porque el mecanismo de etapa especial y el control preciso del ángulo necesarios para la deposición en ángulo oblicuo son innecesarios.

Fotografías del nano-TWP fabricado mediante deposición de Al en ángulo normal dispuestas con Nicols (a) paralelos y (b) cruzados. (c) Imagen SEM transversal de la muestra fabricada. Espectros medidos (d) transmitancia y (e) PER en función del espesor de Al.

Desde una perspectiva práctica, medimos la dependencia del ángulo de incidencia del nano-TWP y la comparamos con la de un WGP convencional. Las Figuras 3a, b muestran la transmitancia medida y los espectros PER en función del ángulo de incidencia θ de la luz cuando la luz polarizada verticalmente incide en el plano de rotación del escenario. A medida que θ aumentó, Tx disminuyó gradualmente hasta el 45% a una longitud de onda de 550 nm para θ = 70°. Por el contrario, el PER aumentó gradualmente; a una longitud de onda de 550 nm, se obtuvo un PER de 20 dB para θ = 5°, mientras que se obtuvo un PER de 25 dB para θ = 70°. Las Figuras 3c, d muestran la transmitancia medida y los espectros PER cuando incide la luz polarizada paralela al plano de rotación de la etapa de muestra. Tx fue insensible a los cambios en θ y no hubo cambios significativos en los espectros de Tx hasta aproximadamente θ = 50 °. Sin embargo, el PER disminuyó gradualmente y, a una longitud de onda de 550 nm, el PER disminuyó de 19 dB cuando θ = 5° a 15 dB cuando θ = 70°. En comparación con la dependencia del ángulo de incidencia de los WGP convencionales, confirmamos que la tendencia del nano-TWP es casi la misma40,41. Por lo tanto, la influencia del cambio de WGP convencional a nano-TWP en la dependencia del ángulo de incidencia es pequeña.

Dependencia del ángulo de incidencia del nano-TWP fabricado. Se midieron (a) transmitancia y (b) espectros PER con la luz polarizada incidente paralela al plano de rotación de la etapa de muestra. Se midió (c) transmisión y (d) espectros PER con la luz polarizada incidente paralela al plano de rotación de la etapa de muestra.

A continuación, se evaluaron los espectros de reflectancia para determinar su aplicabilidad como polarizadores reflectantes o absorbentes. La Figura 4 muestra los espectros de reflectancia medidos y calculados. La reflectancia se midió como una reflexión normal en θ = 5°. Las mediciones incidentes en el lado de la superficie estructural y en el lado posterior se representaron como resultados del lado frontal y posterior, respectivamente. Estas mediciones fueron la luz total reflejada por la muestra y no los resultados de reflectancia para la superficie superior de un solo lado. En particular, hubo una marcada diferencia en la reflectancia entre el frente y la parte posterior. Para el lado frontal, la reflectancia era similar a la de un polarizador reflectante, mientras que para el lado posterior, como se muestra en la Fig. 2b, parecía oscura, similar a un polarizador absorbente. Utilizando la forma de la estructura en la imagen SEM como modelo, se realizaron cálculos numéricos mediante un riguroso análisis de ondas acopladas (RCWA)42. El índice de refracción de Al se obtuvo del estudio de Rakić et al.43 Los valores calculados para la reflectancia frontal y posterior fueron superiores a los valores experimentales; no obstante, las tendencias coincidían relativamente bien. Se utilizó un medidor de neblina espectral (SH-7000, Nippon Denshoku Industries) para luz visible para evaluar el porcentaje de luz dispersada entre la luz transmitida. Se obtuvo una turbidez inferior al 1,0% en la región visible, lo que indica que el componente de dispersión era pequeño. Por lo tanto, los componentes distintos de la luz transmitida y reflejada con respecto a la luz incidente se absorben casi en su totalidad. En consecuencia, el lado frontal se puede usar como un polarizador reflectante, mientras que el lado posterior se puede usar como un polarizador cercano a un tipo absorbente.

Espectros de reflectancia medidos de los lados frontal y posterior del nano-TWP fabricado. Las líneas de puntos muestran los gráficos calculados.

En resumen, fabricamos un WGP para la región visible al infrarrojo cercano basado en una estructura nanotriangular en forma de onda y evaluamos sus propiedades ópticas. Los polarizadores se fabricaron mediante nanoimpresión térmica y deposición de metal utilizando un ángulo normal o procesos de revestimiento no electrolítico. El polarizador fabricado mediante revestimiento no electrolítico de Ni logró una transmitancia del 40%, que es aproximadamente 1,4 veces mayor que la lograda en un estudio anterior utilizando revestimiento de Ni no electrolítico en una estructura rectangular con el mismo período. Este resultado se obtuvo a una longitud de onda de 550 nm, manteniendo la misma relación de extinción de polarización. Además, se puede realizar un polarizador de alto rendimiento mediante la deposición de Al en ángulos normales utilizando equipos de uso general, sin utilizar la deposición de ángulo oblicuo que requiere un mecanismo de etapa especial; Se obtuvo una alta tasa de transmisión del 81% con un PER de 24 dB a una longitud de onda de 550 nm. Estos polarizadores se pueden fabricar mediante un proceso de bajo coste preparando un molde con una superficie nanotriangular en forma de onda. Este método de fabricación se puede aplicar cómodamente en aplicaciones industriales porque no requiere ningún equipo especial ni proceso complejo. En el futuro, aclararemos la correlación entre las propiedades ópticas, incluida la reflectancia, y la estructura nanotriangular en forma de onda para optimizar las funciones ópticas y satisfacer las necesidades sociales. Esperamos que las aplicaciones de polarizadores de bajo costo y alto rendimiento basadas en los hallazgos de este estudio aceleren y faciliten la realización de sensores inteligentes y una sociedad digital en el futuro.

La importancia de utilizar una superficie nanotriangular con forma de onda se explica comparándola con una superficie rectangular convencional con forma de onda. Las Figuras 5a, b ilustran el revestimiento no electrolítico y la deposición en ángulo normal sobre una superficie rectangular, respectivamente. En general, el revestimiento no electrolítico, que es una técnica de fabricación de bajo coste en comparación con la evaporación, puede formar películas metálicas a lo largo de la superficie. Para la deposición en ángulo normal, es menos probable que se formen películas metálicas en las paredes laterales porque el flujo de vapor metálico se deposita linealmente. En una determinada capa de la parte estructural, el ciclo de trabajo del metal D (la relación de la parte metálica por período de la nanoestructura) varía dependiendo de su posición a lo largo del eje z. En la Fig. 5a, D supera el 50% en las capas en fondos convexos o cóncavos. Incluso si el ancho de la porción convexa es más estrecho, aparece una D mayor que excede el 50% en la capa a lo largo del eje z porque D en la parte inferior de la porción cóncava es mayor. De manera similar, en la Fig. 5b, independientemente de hasta qué punto se ajusten los anchos de las porciones convexas y cóncavas, aparecen capas con D superior al 50%. Reducir D puede aumentar efectivamente la transmitancia óptica de un WGP44. Según la teoría del medio efectivo, el índice de refracción efectivo en tales estructuras de sublongitud de onda se puede aproximar usando D45. En otras palabras, la presencia de una capa con D superior al 50% dificulta la realización de una alta transmitancia porque la respuesta óptica en esa capa es más similar a la de un metal que a la de un dieléctrico. Sin embargo, cuando se realiza un revestimiento no electrolítico o una deposición en ángulo normal sobre la superficie de la forma de onda triangular, se forma una película metálica, como se muestra en la Fig. 5c. Controlando el espesor de la película metálica, D se puede mantener por debajo de un cierto valor inferior al 50% para cualquier capa desde el fondo convexo hasta el cóncavo, y se puede obtener una alta transmitancia manteniendo un alto PER.

Ilustración de (a) revestimiento no electrolítico sobre una superficie rectangular, (b) deposición en ángulo normal sobre una superficie rectangular y (c) revestimiento no electrolítico o deposición en ángulo normal sobre una superficie con forma de onda triangular.

Se realizaron cálculos numéricos mediante RCWA para estimar las características ópticas del nano-TWP. El recuadro superior de la Fig. 6 muestra el modelo de cálculo. El sustrato plástico era policarbonato con un espesor de 300 μm, y en su superficie se formó una estructura cóncavo-convexa con una altura de 400 nm y un período de 140 nm. Suponiendo que la película metálica se formó mediante revestimiento de Ni no electrolítico, se formó una película de Ni con un espesor de 10 nm en toda la superficie de la estructura, incluidas las paredes laterales. El ancho desde el borde del fondo convexo hasta el borde del fondo cóncavo se denota como s. Cuando s cambió de 0 mm a 70 nm, la estructura cambió de una forma rectangular a una forma de onda triangular. Se determinó que el índice de refracción del policarbonato era 1,58 y el del Ni se obtuvo del estudio de Rakić et al.43 La porción cónica se dividió aproximadamente cada 40 nm, lo que corresponde a 1/10 de la altura de la estructura cóncavo-convexa. , para determinar la distribución del índice de refracción de la capa. Las Figuras 6a, b muestran los espectros de transmitancia en la incidencia de polarización x y los espectros PER en función de s, respectivamente. El PER se obtuvo mediante la siguiente ecuación:

donde Tx y Ty son las transmitancias en la incidencia de polarización x e y, respectivamente. La Figura 6a muestra que la transmitancia aumenta drásticamente a medida que la estructura se transforma de una forma rectangular a una forma de onda triangular; es decir, a medida que la D entre el fondo convexo y cóncavo de la estructura disminuye gradualmente, la transmitancia aumenta del 24 al 55% en una longitud de onda de 550 nm. Además, la Fig. 6b muestra que el PER es insensible a s. A una longitud de onda de 550 nm, el PER fue de 29,3 dB cuando s = 0 nm, y a s = 70 nm, el PER no disminuyó considerablemente a 28,8 dB, manteniendo un PER alto. Por lo tanto, la simulación confirmó que el nano-TWP exhibió una transmitancia mejorada manteniendo el PER.

Se calcularon (a) los espectros de transmitancia en la incidencia de polarización x y (b) los espectros PER.

Para obtener más información sobre el nano-TWP, lo comparamos con los WGP estructurales de línea y espacio encontrados en estudios anteriores15,16,17 y los WGP fabricados mediante deposición de ángulo oblicuo18,19,20. Dado que el nano-TWP es una estructura de sublongitud de onda, su composición es casi idéntica a la de la línea y el espacio convencional. Específicamente, cuando la sección transversal de cada estructura está cortada por una determinada capa, la parte metálica y la parte aérea están presentes en una relación de ocupación particular en la estructura de línea y espacio. En la estructura fabricada usando el método de deposición en ángulo oblicuo, la parte metálica, la parte de material de sustrato y la parte de aire están presentes en una proporción de ocupación particular. En la estructura nanotriangular en forma de onda, existen la parte metálica, la parte de material del sustrato y la parte de aire, la proporción de la porción metálica es casi constante desde la superficie hasta el fondo de la estructura, mientras que la proporción del sustrato La porción aumenta gradualmente. Dado que las configuraciones de estas estructuras son casi idénticas, se espera que sus características ópticas sean similares a pesar de diferir en forma. Para confirmar esta suposición, se realizó una comparación utilizando la estructura lineal y espacial convencional mediante simulación RCWA. La Figura 7 muestra los resultados del cálculo cuando se utilizó Ni como material metálico. Los índices de refracción del policarbonato y del Ni fueron los mismos que los descritos anteriormente. En el caso de nano-TWP, suponiendo una formación uniforme de Ni en toda la superficie de la estructura, un aumento en el espesor de Ni en la dirección z (tm) no solo aumenta el espesor de la capa que contiene metal sino que también aumenta el espesor de la capa de Ni. película en la dirección x. En consecuencia, aumenta la proporción de la porción metálica. Por tanto, con un aumento de tm, el PER aumenta mientras que la transmitancia disminuye.

Espectros de transmitancia calculados en incidencia de polarización x y espectros PER de un WGP convencional de tipo lineal y espacial y el nano-TWP.

Los resultados del cálculo muestran que en el nano-TWP también se obtuvieron una transmitancia alta y un PER superior a 20 dB, dependiendo de las condiciones. En comparación con un WGP convencional, la transmitancia fue menor en las condiciones necesarias para lograr el mismo PER. Sin embargo, el PER se puede aumentar sin hacerlo demasiado grueso aumentando la altura de la estructura superficial nanotriangular en forma de onda del sustrato, mejorando así las propiedades de polarización. En el futuro se llevarán a cabo más investigaciones sobre la relación entre la geometría y las propiedades ópticas.

Las Figuras 8a, b muestran el proceso de fabricación de nano-TWP. En la nanoimpresión térmica, la temperatura del molde fue de 170 °C y se aplicó una presión de 0,9 MPa durante 150 s. La Figura 8c muestra una imagen SEM en sección transversal del molde. El molde presentaba una estructura nanotriangular en forma de onda con un período de aproximadamente 140 nm y una altura de aproximadamente 420 nm; El molde se formó mediante litografía y grabado con iones reactivos. Después del paso de nanoimpresión térmica, la estructura superficial de la lámina de policarbonato se contrajo ligeramente en comparación con la de la estructura del molde debido a la contracción térmica. A continuación, al realizar un revestimiento de Ni no electrolítico o una deposición de Al en la superficie de la estructura, se obtuvo nano-TWP. Para el revestimiento de Ni no electrolítico, después de sumergirlos en las soluciones de sensibilizador y activador fabricadas por Okuno Chemical Industries, los sustratos se sumergieron en un baño de revestimiento de Ni no electrolítico fabricado por Okuno Chemical Industries a temperatura ambiente (23 °C). El Al se depositó utilizando un sistema de evaporación por haz de electrones en un ángulo normal perpendicular a la superficie de la lámina de policarbonato. El revestimiento no electrolítico y la deposición al vacío son técnicas de fabricación típicas para la formación de películas delgadas, y varias empresas ya cuentan con este equipo.

Ilustraciones del proceso de fabricación para (a) nanoimpresión térmica y (b) evaporación de Ni o Al sin electricidad; y (c) Imagen SEM transversal del molde.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Kim, I. et al. Nanofotónica para detección de luz y tecnología de alcance. Nat. Nanotecnología. 16, 508 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Nunes-Pereira, EJ, Peixoto, H., Teixeira, J. & Santos, J. Clasificación de materiales codificados por polarización en LIDAR automotriz con el objetivo de implementar implementaciones de conducción autónoma más seguras. Aplica. Optar. 59, 2530 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jo, S. y col. Sistema LIDAR flash tridimensional de alta resolución que utiliza una célula de Pockels moduladora de polarización y una cámara CCD micropolarizadora. Optar. Expreso 24, A1580 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Skirnewskaja, J., Montelongo, Y., Wilkes, P. y Wilkinson, TD Hologramas digitales derivados de LiDAR para pantallas frontales de automóviles. Optar. Expreso 29, 13681 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Dupeyroux, J., Serres, JR y Viollet, S. AntBot: un robot andante de seis patas capaz de desplazarse como hormigas del desierto en entornos al aire libre. Ciencia. Robot. 4, eau0307 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Malavazi, FBP, Guyonneau, R., Fasquel, J.-B., Lagrange, S. & Mercier, F. Algoritmo de navegación basado únicamente en LiDAR para un robot agrícola autónomo. Computadora. Electrón. Agrícola. 154, 71 (2018).

Artículo de Google Scholar

Tavani, S. y col. Trabajo de campo asistido por teléfonos inteligentes: hacia la transición digital del trabajo de campo en geociencias utilizando iPhones equipados con LiDAR. Ciencia de la Tierra. Rev. 227, 103969 (2022).

Artículo de Google Scholar

Kenry, Duan, Y. y Liu, B. Avances recientes en imágenes ópticas en la segunda ventana del infrarrojo cercano. Adv. Madre. 30, 1802394 (2018).

Diao, S. y col. Imágenes biológicas sin autofluorescencia en la segunda región del infrarrojo cercano. Nanoresolución. 8, 3027 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Jones, RS, Huynh, GD, Jones, GC y Fried, D. Transiluminación del infrarrojo cercano a 1310 nm para la obtención de imágenes de caries dental temprana. Optar. Expreso 11, 2259 (2003).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

MacKenzie, LE & Pal, R. Luminiscencia de lantánidos polarizados circularmente para tintas de seguridad avanzadas. Nat. Rev. Química. 5, 109 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liu, Y. et al. Fabricación de nanocompuestos antifalsificación con múltiples características de seguridad mediante la integración de un polímero fotorresponsivo y nanopartículas de conversión ascendente. Adv. Función. Madre. 31, 2103908 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Shen, B., Wang, P., Polson, R. y Menon, R. Polarizador de metamaterial de ultra alta eficiencia. Óptica 1, 356 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Chin, JY, Lu, M. & Cui, TJ Polarizadores de metamateriales mediante resonadores acoplados a campo eléctrico. Aplica. Física. Letón. 93, 251903 (2008).

ADS del artículo Google Scholar

Murakami, Y., Einarsson, E., Edamura, T. y Maruyama, S. Dependencia de la polarización de la absorción óptica de nanotubos de carbono de pared simple. Física. Rev. Lett. 94, 087402 (2005).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Shoji, S., Suzuki, H., Zaccaria, RP, Sekkat, Z. & Kawata, S. Polarizador óptico hecho de nanotubos de carbono cortos de pared simple alineados uniaxialmente incrustados en una película de polímero. Física. Rev. B 77, 153407 (2008).

ADS del artículo Google Scholar

Ren, L. y col. Polarizador de terahercios de nanotubos de carbono. Nano Lett. 9, 2610 (2009).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Weber, MF, Stover, CA, Gilbert, LR, Nevitt, TJ y Ouderkirk, AJ Óptica birrefringente gigante en espejos de polímeros multicapa. Ciencia 287, 2451 (2000).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Nevitt, TJ y Weber, MF Avances recientes en productos reflectores de interferencia poliméricos multicapa. Películas sólidas delgadas 532, 106 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Land, EH Algunos aspectos del desarrollo de polarizadores laminares. J. Optar. Soc. Soy. 41, 957 (1951).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Peeters, E., Lub, J., Steenbakkers, JAM & Broer, DJ Polarizadores de película delgada de alto contraste mediante fotoreticulación de sistemas esmécticos huésped-host. Adv. Madre. 18, 2412 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, JJ, Walters, F., Liu, X., Sciortino, P. & Deng, X. Polarizadores de ultravioleta a infrarrojo profundo, de área grande y alto rendimiento basados ​​en rejillas de nanocables espaciales de 40 nm de línea/78 nm. Aplica. Física. Letón. 90, 061104 (2007).

ADS del artículo Google Scholar

Ahn, S.-W. et al. Fabricación de un polarizador de rejilla de alambre de medio paso de 50 nm mediante litografía de nanoimpresión. Nanotecnología 16, 1874 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Wang, JJ y cols. Rejilla de nanocables de aluminio de 30 nm de ancho para polarizadores de transmitancia y contraste ultra alto fabricados mediante litografía de nanoimpresión UV. Aplica. Física. Letón. 89, 141105 (2006).

ADS del artículo Google Scholar

Chen, L. y col. Gran polarizador visible de rejilla de nanocables flexible fabricado mediante litografía de nanoimpresión. Aplica. Física. Letón. 90, 063111 (2007).

ADS del artículo Google Scholar

Wu, C.-L., Sung, C.-K., Yao, P.-H. y Chen, C.-H. Rejillas de ancho de línea de menos de 15 nm que utilizan nanoimpresión rollo a rollo y recorte de plasma para fabricar polarizadores de rejilla de alambre flexibles con bajo cambio de color. Nanotecnología 24, 265301 (2013).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Xu, K. y col. Dispositivos flexibles fabricados mediante un sistema de litografía de nanoimpresión de placa a rollo. Nanotecnología 30, 075301 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Wang, J., Zhao, Y., Agha, I. y Sarangan, AM Fabricación con nanoimpresión SU-8 de polarizadores de rejilla de alambre utilizando litografía de interferencia UV profunda. Optar. Letón. 40, 4396 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jang, H. y col. Diseño y fabricación de polarizador de rejilla de alambre mediante procesos de nanoimpresión y deposición de ángulo oblicuo. Madre. Trans. 58, 494 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Ahn, SH, Kim, J.-S. & Guo, LJ Polarizador de rejilla de alambre metálico bicapa fabricado mediante litografía de nanoimpresión rollo a rollo sobre sustrato plástico flexible. J.vac. Ciencia. Tecnología. B 25, 2388 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Ahn, SH & Guo, LJ Litografía de nanoimpresión rollo a rollo de alta velocidad sobre sustratos plásticos flexibles. Adv. Madre. 20, 2044 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Meng, F. y col. Fabricación y caracterización de un polarizador de rejilla metálica bicapa mediante litografía de nanoimpresión sobre sustrato plástico flexible. Microelectrón. Ing. 88, 3108 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Kang, W., Chu, J., Zeng, X. & Fan, Y. Polarizador de rejilla de nanocables infrarrojos flexible de gran área fabricado mediante litografía de nanoimpresión. Aplica. Optar. 57, 5230 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Qin, L. y col. Preparación y medición de polarizadores de rejilla de alambre metálico bicapa de sublongitud de onda sobre sustratos plásticos flexibles. Optar. Comunitario. 434, 118 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Chu, J., Kang, W., Zeng, X. y Liu, Z. Matriz polarizadora de rejilla de nanocables bicapa de infrarrojo cercano fabricada mediante litografía de nanoimpresión suave. Optar. Ing. 58, 057101 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Saito, M. y col. Niquelado sobre silicio para fabricar un polarizador de rejilla de alambre infrarrojo. Japón. J. Aplica. Física. 49, 052503 (2010).

ADS del artículo Google Scholar

Kao, Y.-C. y Hong, FC-N. Recubrimiento selectivo no electrolítico de patrones de nanorejillas de plata sin crecimiento lateral para la fabricación de polarizadores. Navegar. Abrigo. Tecnología. 231, 460 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

Kang, J. y col. Nanorrejillas de aluminio procesadas en solución para polarizadores de rejilla de alambre. Adv. Optar. Madre. 6, 1800205 (2018).

Artículo de Google Scholar

Hokari, R., Takakuwa, K., Shiomoto, K., Kuwano, G. y Kurihara, K. Hoja polarizadora de rejilla de alambre con baja reflectancia en las regiones visible e infrarroja cercana fabricada mediante un proceso de nanoimpresión y revestimiento no electrolítico. Optar. Expreso 30, 45583 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yu, XJ & Kwok, HS Polarizadores ópticos de rejilla de alambre en ángulos de incidencia oblicuos. J. Aplica. Física. 93, 4407 (2003).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Yu, XJ y Kwok, HS Aplicación de polarizadores de rejilla de alambre a pantallas de proyección. Aplica. Optar. 42, 6335 (2003).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Moharam, MG & Gaylord, TK Análisis riguroso de ondas acopladas de rejillas metálicas en relieve de superficie. J. Optar. Soc. Soy. A 3, 1780 (1986).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Rakić, AD, Djurišić, AB, Elazar, JM & Majewski, ML Propiedades ópticas de películas metálicas para dispositivos optoelectrónicos de cavidad vertical. Aplica. Optar. 37, 5271 (1998).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Hokari, R. y col. Hoja polarizadora de rejilla de alambre de baja reflexión en la región visible fabricada mediante un proceso de nanoimpresión. Ciencia. Rep. 11, 2096 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Haggans, CW, Li, L. y Kostuk, RK Teoría del medio efectivo de rejillas laminares de orden cero en montajes cónicos. J. Optar. Soc. Soy. A 10, 2217 (1993).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Descargar referencias

Agradecemos a la Sra. Haruyo Hashimoto y a la Sra. Kaori Kamada por su asistencia técnica. Este trabajo fue parcialmente apoyado por el Programa de Transferencia de Tecnología Adaptable y Sin Interrupciones a través de I+D impulsada por objetivos (A-STEP) de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JST; Número de subvención: JPMJTM19Y7) y la subvención número 21H01851 de JSPS KAKENHI.

Instituto de Investigación de Manufactura Avanzada, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), AIST Tsukuba East, 1-2-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki, 305-8564, Japón

Ryohei Hokari, Genki Kuwano y Kazuma Kurihara

Mitsubishi Gas Chemical Trading, Inc., KANDA SQUARE 15F, 2-2-1 Kanda-Nishikicho, Chiyoda-Ku, Tokio, 101-0054, Japón

Kyohei Takakuwa

Sumitomo Bakelite Co., Ltd., 7-1 Satsukicho, Kanuma, Tochigi, 322-0014, Japón

Kengo Shiomoto

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

RH escribió el cuerpo principal del manuscrito y realizó la fabricación y caracterización. KT, KS y GK contribuyeron a la idea de la investigación y ayudaron a escribir la sección de introducción del manuscrito. KK contribuyó a la idea de la investigación y supervisó el trabajo. Todos los autores analizaron los resultados y proporcionaron comentarios sobre el manuscrito.

Correspondencia a Ryohei Hokari.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Hokari, R., Takakuwa, K., Shiomoto, K. et al. Desarrollo y análisis de un polarizador en forma de onda nanotriangular. Representante científico 13, 13387 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40511-z

Descargar cita

Recibido: 29 de enero de 2023

Aceptado: 11 de agosto de 2023

Publicado: 17 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40511-z

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.