Nanostructured optical filters based on localized surface plasmons

Abstract

Optical filters allow for selective transmission or reflection of certain wavelength bands and are employed in a great diversity of applications, such as colour displays, image sensors, LEDs, functional window glass, photography and spectroscopy. In this thesis colourand near-infrared filters based on nanostructured silver, exhibiting localized surface plasmon excitations, are investigated. The nanostructures are prepared by nanoimprint lithography on glass substrates and subsequent deposition of dielectrics and silver without additional etching or lift-o steps, allowing for possible high throughput fabrication of such filters. The imprinted nanostructure is a periodic hole array, which forms a perforated metal lm with silver disks in the cylindrical holes after metal deposition. Particular attention is paid to the method of silver deposition, namely magnetron sputtering and thermal evaporation, and the implications on morphological and optical properties. Numerical simulations are presented to investigate the silver growth on nanostructures by sputter deposition as well as thermal evaporation. The simulated results are compared to corresponding scanning electron microscopy and atomic force microscopy images. It is found that experiments can be only explained when surface di usion of silver is taken into account. Even though sputtering is not considered a very directional deposition method a clear separation of the perforated silver lm and the disks is observed. It is shown that an effcient near-infrared filter can be produced with silver thicknesses as low as 6nm by sputter deposition. The lter shows a broadband plasmonic resonance centred at 1000nm with transmittance values as low as 4.5%. The refl ectance at the plasmonic resonance is as high as 0.76 and by this being 43% higher than the planar counterpart. In addition, the visible transmittance is as high as 81%, due to the thin silver film. Colour filters are realized by thermal evaporation of silver lms with thickness bigger than 20nm and subsequent embedding in another glass substrate. The structure yields three dfferent colours: blue in transmission as well as red and green in reflection from each side. It is shown, that the silver thickness has a strong influence on the colour appearance as has the presence of self-assembled grains on the sidewalls of the cylindrical structures.

Optische Filter erlauben selektive Transmission bzw. Reflexion bestimmter Wellenlängenbereiche und finden in vielen Feldern Anwendung. Dazu zählen Farbdisplays, Bildsensoren und LEDs, sowie Antireflexbeschichtungen, funktionales Fensterglas und verschiedene Filter für Fotografie und Spektroskopie. In dieser Arbeit werden Farbund Infrarotfilter untersucht, die auf nanostrukturiertem Silber und den darin angeregten lokalisierten Oberäachenplasmonen basieren. Die Nanostrukturen werden mit Hilfe von Nanoprägelithografie auf Glassubstraten und mit anschließender Abscheidung dielektrischer und metallischer Dünnschichten hergestellt, ohne zusätzlichen Ätzoder lift-off-Schritten. Die resultierenden Strukturen sind ein periodisches Loch-Gitter, das aus einem löchrigen Metallfilm und Silber-Scheiben in den zylindrischen Löchern besteht. Besonderer Fokus gilt dabei der Methode der Silberabscheidung, der Sputterabscheidung oder dem thermischen Verdampfen, und deren Auswirkung auf morphologische und optische Eigenschaften. Mit Hilfe einer numerischen Simulation wird das Silberwachstum der beiden Abscheidungsmethoden auf Nanostrukturen untersucht und anschliessend mit Rasterelektronmikroskopund Rasterkraftmikroskopbildern verglichen. Die experimentellen Ergebnisse können nur erklärt werden, wenn Oberfläachendiffusion von Silber berücksichtigt wird. Obwohl die Sputterabscheidung nicht als direktionale Abscheidungsmethode gilt, wird hier eine klare Abtrennung der Silber-Scheiben und dem Loch lm beobachtet. Es wird gezeigt, dass ein effizienter Infrarot Filter mit einer Silberdicke von nur 6nm mittels Sputterabscheidung hergestellt werden kann. Der Filter weist eine breite plasmonische Resonanz bei 1000nm mit minimaler Transmission von 4.5% auf. Die Reflexion nahe der plasmonischen Resonanz erreicht bis zu 0.76 und übersteigt damit die planare Referenz um 43%. Außerdem erlaubt der ultlra-dünne Silberfilm eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich mit bis zu 81%. Die Farbfilter werden mittels thermischen Verdampfens von Silber mit einer Dicke von mehr als 20nm und darauffolgendem Einbetten in einem weiteren Glassubstrat hergestellt. Die Struktur weist drei unterschiedliche Farben auf: Blau in Transmission und Rot bzw. Grün in Reflexion von jeweils einer Seite. Die Farbe wird dabei einerseits durch die Dicke der Silberschicht und andererseits durch das Auftreten von Silberkörnern an den Seitenwänden der zylindrischen Löcher beeinflusst.