Прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света

Предполагаемая полезная модель относится к области оптоэлектронной техники и может быть использована для создания сенсорных экранов, солнечных батарей, конструкция которых включает элементы, одновременно прозрачные для света и проводящие электрический ток - прозрачные электроды.
Известна конструкция прозрачного электрода с большим значением асимметрии пропускания света, основанная на фотонно-кристаллической структуре [Klimov V.V., Treshin I.V., Shalin A.S., Melentiev P.N., Kuzin A.A., Afanasiev A.E., Balykin V.I. Optical Tamm state and giant asymmetry of light transmission through an array of nanoholes // Physical Review A V.92, 063842 (2015)], представляющая собой брэгговское многослойное диэлектрическое зеркало (чередующиеся слои MgF2 и TiO2 разной толщины), нанесенное на оксид алюминия и покрытое с другой стороны перфорированным слоем золота с периодом расположения отверстий 2 мкм, недостатком которой является очень слабое пропускание излучения при наличии асимметрии (доли процента от падающего света), а также сильная зависимость параметров от длины волны света.
Известна конструкция полностью оптического диода [Патент РФ 178617], содержащая фокусирующую микролинзу, в фокусе которой расположена отражающая излучение подложка с микроотверстием, за которой расположен приемник излучения, при этом микролинза выполнена в виде диэлектрической частицы непосредственно контактирующей с отражающей излучение подложкой с микроотверстием и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. Диэлектрическая частица может быть выполнена в виде пирамиды с вершиной, обращенной навстречу падающему излучению, или в виде конуса с вершиной, обращенной навстречу падающему излучению, или в виде шарика, или усеченного шарика, или в виде кубика.
Полностью оптический диод (AOD - all-optical diode) представляет собой пространственно невзаимное устройство, основанное на одностороннем распространении света обеспечивая различное оптическое пропускание в противоположных направлениях.
Недостатком устройства являются неприменение его в виде монослоя диэлектрических частиц и недостаточная степень асимметрии пропускания света.
Известно устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением [Патент РФ 176266], содержащее выполненное в форме куба с длиной каждого ребра куба L≈kλN, N=1, 2, 3 …, где λ - длина волны излучения освещающего куб, k - эмпирический коэффициент k=0,98…1,2, куб выполнен из материала с эффективным относительным показателем преломления, по отношению к показателю преломления окружающей среды и лежащем в диапазоне от 1,9 до 2,1, а вдоль оси симметрии куба, проходящей через центр противолежащих граней и параллельно падающему излучению, с обратной стороны куба по отношению к падающему излучению выполнено отверстие, при этом длина отверстия меньше или равна длине ребра куба, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,25λ.
Достоинством устройства является возможность фокусировки излучения для отверстия с поперечным размером равным 0,025λ, в фокальное пятно с шириной пятна по полуспаду интенсивности 0,023λ и 0,026λ в плоскостях ZY и ZX соответственно.
Недостатком устройства является невозможность формирования асимметрии пропускания света.
Известно устройство для фокусировки излучения с субдифракционным разрешением [Yinghui Cao, Zhenyu Liu, Oleg V. Minin  and Igor V. Minin. Deep Subwavelength-Scale Light Focusing and Confinement in Nanohole-Structured Mesoscale Dielectric Spheres // Nanomaterials 2019, 9, 186; doi:10.3390/nano9020186], состоящее из диэлектрической однородной мезоразмерной сферы, вдоль оптической оси которой выполнено отверстие, с длиной отверстия меньшей или равной диаметру сферы, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,10λ.
В данном устройстве для микросферы диаметром D = 3,5λ и показателем преломления n = 1,5 и со сквозным отверстием диаметром Δh = λ/5, λ/10 и λ/15, было установлено, что для микросферы со сквозным отверстием диаметром Δh = λ/5 ширина области фокусировки больше, чем у микросферы без отверстия. Когда размер отверстия был уменьшен до λ/10 - λ/15, размеры фокального был значительно уменьшен до уровня соответственно 0,25λ и 0,20λ, а интенсивность излучения в фокальном пятне возросла в 93-112 раз по сравнению с интенсивностью освещающего излучения.
Аналогичные результаты были получены для микросфер с глухим каналом, выполненным на теневой поверхности частицы и глубиной отверстия 3Δh.
Достоинством устройства является возможность фокусировки излучения с шириной пятна по полуспаду интенсивности примерно равного диаметру отверстия.
Недостатком устройства является невозможность формирования асимметрии пропускания света.
Известно устройство прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света [Kovrov А.Е., Baranov D.A., Shalin A.S., Mukhin I.S., Simovski C.R. Optically asymmetric structures for transparent electrodes // Proceedings of the International Conference Days on Diffraction 2016, pp. 234-236]. Этот электрод представляет собой нанесенную на кварцевую подложку перфорированную золотую или серебряную пленку, упорядочение расположенные отверстия, которые покрыты сферическими микролинзами из полистирола, кварца или оксида титана диаметром от 2 до 40 длин волн. Такая конструкция характеризуется низким удельным сопротивлением, сопоставимым с сопротивлением чистого металла (<5 Ом/кв), высокой прозрачностью в оптическом диапазоне и значительной асимметрией пропускания: отношение коэффициента пропускания в прямом и обратном направлениях может превышать 4,7 при коэффициенте пропускания 91 %.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света [Патент РФ 2710481, Прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света и способ его изготовления, МПК H01L 21/00, G02F 1/1343] содержащий прозрачную подложку, выполненную из гибкого материала, на которую нанесен проводящий слой с упорядоченными расположенными отверстиями, покрытыми прозрачными сферическими микрочастицами. Проводящий слой выполнен из алюминия Al субмикронной толщины. Подложка прозрачного электрода с асимметричным пропусканием света, выполнена из гибкого материала, например, полимерного. В проводящем слое выполнены отверстия радиуса 300-700 нм расположение в виде гексагональной решетки, которая обеспечивает плотную упаковку фокусирующих микросфер, покрывающих отверстия. Наложенные на отверстия прозрачные сферы реализуют эффект фотонного наноджета и коллимируют падающее на них оптическое излучение в проходящие через отверстия пучки диаметром меньше длины волны падающего излучения и значительно меньше радиуса сферы (с радиусом области фокусировки порядка λ/3, где λ - длина волны используемого излучения).
В данном устройстве значительная асимметрия пропускания обеспечивается тем, что при падении света со стороны сфер последние направляют попадающий на них свет в отверстия, суммарная площадь которых значительно меньше площади, покрываемой частицами (при плотной упаковке поперечное сечение сфер перекрывает 91 % площади поверхности) и участвующей в сборе попадающего на нее света. При падении света с обратной стороны электрода пропускание определяется в основном суммарной площадью отверстий в перфорированном слое, малой по сравнению с общей площадью поверхности. Асимметрия пропускания света рассматриваемого прозрачного электрода расширяет функциональность и область применения данного электрода, в частности, при интеграции с элементами двойного назначения, работающими и как солнечный элемент при освещении внешним источником фотонов, так и работающими в режиме излучения света при приложении к электродам внешнего электрического напряжения.
Недостатком устройства является недостаточная степень асимметрии пропускания света.
Задача данной полезной модели разработать устройство прозрачного электрода с высокой степенью асимметрии пропусканием света.
Техническим результатом является повышение асимметрии пропускания света за счет фокусировки когерентного электромагнитного излучения в пятно шириной менее дифракционного предела, менее 0,10λ, не менее, чем в 2 раза.
Поставленная задача достигается тем, что прозрачный электрод с асимметричным пропусканием света, содержит прозрачную подложку выполненную из гибкого материала, на которую нанесен проводящий слой с упорядоченными расположенными отверстиями, покрытыми прозрачными сферическими микрочастицами, новым является то, что вдоль оптической оси сферических микрочастиц выполнено отверстие, с длиной отверстия меньшей или равной диаметру сферы, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,10λ и отверстие в сфере расположено соосно с отверстием в проводящем слое.
Полезная модель поясняется чертежом.
На Фиг. 1 приведено схематическое изображение оптически асимметричного электрода (вид сбоку): 1 - слой микросфер, 2 - отверстие в микросфере, 3 - металлическая пленка, 4 - отверстия в металлической пленке, 5 - подложка.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Асимметрия пропускания в данной системе возрастает с увеличением радиуса сфер при фиксированном радиусе отверстий за счет подавления обратного пропускания при сохранении прямого и, соответственно, может задаваться на этапе изготовления выбором режима перфорирования и при уменьшении диаметра отверстия в сфере.
Электромагнитное излучение падает на слой микросфер 1 в которых выполнено отверстие в микросфере по ее оптической оси 2, с длиной отверстия меньшей или равной диаметру сферы, а характерный поперечный размер отверстия не превышает 0,10λ. При этом отверстие 2 в сфере 1 ориентировано вдоль оси отверстий 4 в проводящем слое 3. На прозрачную подложку 5 выполненную из гибкого материала, на которую нанесен проводящий слой 3 с упорядоченными расположенными отверстиями 4, покрытыми прозрачными сферическими микрочастицами 1.
В результате взаимодействия участков волновых фронтов, интерферирующих внутри материала микросферы 1, внутри отверстия 2 на границе отверстие - внешняя среда формируется область фокусировки излучения с повышенной концентрацией поля. Удержание электромагнитного поля в отверстии 2 продиктовано контрастом диэлектрического показателя преломления.
Установлено, что при характерном поперечным размере отверстия в микросфере более 0,10λ, область фокусировки имеет размеры более поперечного размера отверстия.
В случае наличия отверстия 2 в диэлектрической мезоразмерной сфере 1 когерентная волна излучения может распространяться в ней как в волноводе, а фокусировка излучения диэлектрической сферой 1 сосредоточит энергию поля внутри отверстии 2 на границе диэлектрик - внешняя среда. Ширина фокусного пятна, сформированного на границе такого фокусирующего устройства, будет близка к характерному поперечному размеру отверстия 2, что позволит создавать фокусирующие устройства со сколь угодно малым фокусом. Чем меньше поперечный размер отверстия, тем уже поперечное распределение интенсивности электромагнитного поля в фокусе. Длина отверстия L может быть как равна диаметру микросферы, так и быть меньше ее.
Численное моделирование показало, что свет может быть сфокусирован и значительно ограничен в наноотверстии, которое расположено на теневой поверхности диэлектрических микрочастиц, достигая разрешения, превышающего предел дифракции сплошного погружения (λ/2n), при освещении плоской волной. Введение наноструктуры на теневой поверхности диэлектрической частицы позволяет нам «сжать» локализацию поля, характерную для фотонной наноструктуры, до размера этой наноструктуры.
Известны способы изготовления наноотверстий заданных размеров (диаметра и длины), например, в Патенте РФ 2427415 «Способ изготовления наноотверстий», наноотверстия формируются производится электрическим током пробоя, в патенте РФ 2235583 сквозные цилиндрические отверстия диаметром от 30 до 1000 нм формируются при облучении полимерного материала ускоренными заряженными частицами, известен способ пробивки микроотверстий лазерным излучением (Патент РФ 2492036; 2208504; 2192341; 1718487;) в которых получены микроотверстия малого диаметра (10-30 мкм) с высоким качеством стенок и т.д. Для изготовления нано и микроотверстий может использоваться литография микролинз, состоящая из миниатюрных линз (монодисперсная сфера из полистирола или SiO2) с одинаковыми размерами и фокусным расстоянием [Hong M.H., Wang Z.B., Lukyanchhuk B.S., Tan L.S., Chong T.C. From Transparent Particle Light Enhancement to Laser Nanoimprinting // Laser Micro Nanoengineering. 2006. Vol. 1 p. 61-66]. Например, сферы из полистирола диаметром 1 мкм дают усиление интенсивности проходящего лазерного излучения в 60 раз по сравнению с падающим. При этом лазерное излучение концентрируется в нижней части наносферы в пятно менее 100 нм. Этим способом возможно формировать наноотверстия как на плоской, так и на криволинейной поверхности диаметром до 30 нм [Khan A., Wang Z.B., Sheikh M.A., Whitehead D.J., Li L. Parallel near-field optical micro/nanopatterning on curved surface by transported micr-particle lens arrays // J. Phes. D.: Appl. Phys. 2010. Vol. 43. P. 305302; B. S. Luk’yanchuk, A. Bekirov, Z.Wang, I.V.Minin, O.V.Minin, А. Fedyanin. Optical phenomena in dielectric spheres with the size of several light wavelength (Review). Physics of Wave Phenomena No.4 (2022)].
Предполагаемая полезная модель имеет следующие преимущества в сравнении с прототипом: степень асимметрии пропускания излучения в данной системе возрастает с уменьшением сечения отверстия в микросфере за счет подавления обратного пропускания при сохранении прямого, и субволновой фокусировки излучения в прямом направлении до уровня не менее 0,1λ.