Um novo metal plasmônico

Jun 22, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14029 (2023) Citar este artigo

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A detecção de cores é um dos principais interesses em aplicações biológicas e industriais. Especificamente, a determinação das características das ondas de luz é vital na tecnologia fotônica. Uma das características do sentido da cor que deve ser descoberta é o comprimento de onda ou cor. Neste trabalho, propomos uma estrutura que pode ser utilizada para detectar cores RGB separadamente de forma eficiente. O detector proposto consiste no filtro plasmônico que detecta o comprimento de onda desejado (vermelho, verde e azul) e o diodo PN para converter os fótons recebidos em corrente elétrica. Na intensidade de entrada de 1 mW × cm−2, a densidade de corrente para as cores azul, verde e vermelha é 27, 35 e 48 µA × cm−2, respectivamente. É mostrado que as intensidades necessárias para obter as densidades de corrente de 0,1 µA × cm-2 são 3,94, 2,98 e 2,25 µW × cm-2 para os espectros azul, verde e vermelho, respectivamente. Deve-se mencionar que usando estruturas fotodetectoras de alta precisão, como o diodo PIN, o nível mínimo detectável pode ser diminuído. Ajuste simples para comprimento de onda desejado e operação linear para diferentes intensidades de entrada são as características da estrutura projetada. Este detector é compatível com a tecnologia CMOS e pode ser facilmente utilizado em inúmeras aplicações, como dispositivos de carga acoplada, monitores e câmeras.

Desde o surgimento da tecnologia fotônica, projetar um detector eficiente tem sido de grande interesse para os pesquisadores. Fotodetectores são dispositivos nos quais a intensidade da luz incidente é convertida em corrente elétrica. Geralmente, esta conversão é sensível ao comprimento de onda da luz incidente. Os detectores de infravermelho (IR) e de luz visível (VLDs) têm inúmeras aplicações em questões de base fotônica, como imagens médicas e militares, comunicação óptica e câmeras modernas 1,2,3,4,5,6,7,8. O espectro eletromagnético entre 400 e 700 nm é chamado de luz visível que deve ser detectada através de VLDs. A detecção das cores vermelho, verde e azul (RGB) de forma separada e eficiente é a função básica dos VLDs. Em outras palavras, a filtragem de cores deve ser realizada nesses detectores.

A detecção de cores é a função básica de dispositivos de detecção de imagem, como os baseados em CMOS9,10,11 e hologramas multicoloridos12. Filtros de cores baseados em pigmentos e corantes têm sido tradicionalmente usados ​​em dispositivos orgânicos emissores de luz (OLEDs) e telas de cristal líquido (LCDs)13,14. Esses filtros não são suficientemente confiáveis ​​porque os materiais orgânicos apresentam baixa estabilidade química11. Além disso, os materiais filtrantes orgânicos são incompatíveis com os processos de integração11. Fazer uso de metamateriais, guias de onda de nanofios, pontos quânticos e plasmônicos são as alternativas para projetar filtros de cores . No fenômeno plasmônico, a ressonância superficial na interface metal-isolante, chamada ressonância plasmônica de superfície (SPR), pode ser utilizada para projetar uma estrutura multicamadas para capturar um comprimento de onda desejado e atuar como um filtro . A simples implementação de estruturas plasmônicas leva os pesquisadores a usar a plasmônica em amplas aplicações, como guia de ondas, detecção óptica, absorvedores e filtros22,23,24,25. Do ponto de vista da filtragem, a estrutura plasmônica pode ser facilmente ajustada pela espessura da camada isolante para alterar a frequência de ressonância e, posteriormente, o espectro filtrado26,27,28.

Os filtros plasmônicos podem ser divididos principalmente em dois tipos: estáticos e dinâmicos29. Diferentemente do caso estático, o dinâmico apresenta características diferentes dependendo da polarização da luz incidente30,31, do calor ou do estresse mecânico aplicado ao dispositivo32,33,34. Grades, nanofuros periódicos, de comprimento de onda e hibridizados 35,36,37 e matrizes de nanodiscos 17,37 são alguns exemplos introduzidos para filtros estáticos. A durabilidade e resolução dos filtros plasmônicos são melhores que os não plasmônicos. Por esse motivo, utilizamos a estrutura baseada em plasmônico para projetar o filtro de cores29,38,39,40.