Selectively Absorbing Plasmonic Metal-Island Films

La perception de la couleur est un attribut fondamental de la vision humaine. Au quotidien, cela nous permet de rapidement reconnaître de la nature de nombreux matériaux et même d'attirer l'attention. La couleur d'un objet peut être modifiée en utilisant un revêtement contenant des pigments ou des colorants de la couleur souhaitée, qui préservent la morphologie et la composition de l'objet. La modification de la composition pour induire une coloration est très courante pour les plastiques et les verres. Cependant, le triage et la réutilisation des différents pigments est difficile voire impossible. Une alternative à l'utilisation de pigments ou de colorants, consiste à utiliser une coloration structurelle obtenue en modifiant la structure de la surface d'un matériau. Contrairement à la nature absorbante des colorants et des pigments, les couleurs structurelles sont généralement générées par diffraction et interférence. Cependant, la sensibilité angulaire peut être indésirable pour certaines applications. La couleur structurelle à base de matériaux plasmoniques suscite beaucoup d'intérêt pour remplacer le contrôle de la couleur d'un objet grâce à leur forte absorption due à l'excitation de plasmon de surface localisé (LSP). Ce phénomène est attribué à la présence d'électrons libres qui, lorsque exposé à un champ électromagnétique (EM), i.e. la lumière, peuvent osciller de manière cohérente. Jusqu'à présent, l'or et l'argent ont été au centre de la plupart des études sur le sujet, car ils présentent un fort pic d'absorption dans le visible. De plus, ils ont l'avantage de former des îlots isolés lors de leur croissance, supportant ainsi une résonance localisée du plasmon de surface (LSPR) aux premières étapes de la croissance avec des techniques de dépôt de type PVD. Malgré des travaux approfondis sur le sujet des nanoparticules (NPs) plasmoniques, leur incorporation à des applications commerciales s'est limité principalement, par exemple, à des capteurs exploitant le champ électromagnétique local renforcé en raison de l'excitation du LSP pour augmenter la sensibilité de la spectroscopie Raman. Cependant, leur utilisation en tant que filtre absorbant pour induire une couleur à des fins esthétiques n'a pas encore été exploitée significativement. Certaines vitres architecturales ont une couleur induite par la présence de NPs de métaux nobles. L'utilisation de ces NPs métalliques pourrait aussi servir à remplacer des revêtements pour lunettes ophtalmiques. Le contrôle de la taille et de la forme des NPs a une incidence sur la fréquence de résonance et le contrôle de la morphologie est difficile avec les méthodes de dépôt industrielles classiques telles que la pulvérisation magnétron et l'évaporation. La réduction chimique de l'or en solution permet la fabrication de différentes formes de NPs avec un contrôle de leur taille, mais le transfert de ces particules sur de grandes surfaces est difficile.

Abstract

The perception of color is a fundamental attribute to human vision. During our dailylife it serves us to better understand our environment as we can recognize many different materials and textures due to their color and appearance. An object's color can be altered by utilizing coatings containing pigments or dyes of the desired color which preserve the object's morphology and composition. This modification of the composition to induce a coloration is very common for plastics and glasses but the removal of the different pigments is difficult at the product's end of life. An alternative to the use of pigments or dyes, which can have poor resistance to photobleaching and pose problems for recycling, is the use of structural coloring which is achieved by modifying the surface structure of a material. Contrary to the absorption nature of dyes and pigments, structural colors are generally generated through diffraction and interference. However, their inherent angular color variation (iridescence) can be unwanted in some applications. Plasmonic-based structural color is emerging as a substitute to control an object's color through absorption due to the excitation of localized surface plasmons (LSPs) when confined free electrons are exposed to an electromagnetic (EM) field, i.e., light. So far, gold and silver have been the center of much of the studies on the subject as they display a strong absorption peak in the visible and generally naturally form isolated islands in their early growth stages, supporting a localized surface plasmon resonance (LSPR). Despite extensive work on the subject of plasmonic nanoparticles (NPs), their incorporation into commercial applications are mostly limited to sensors exploiting the EM field enhancement procured by LSP excitation to increase Raman spectroscopy sensitivity for example. This study aims at evaluating their use as absorbing filters to induce color for aesthetic purposes. The size and shape controls of the NPs affect the resonance frequency and the morphology control is difficult with conventional industrial deposition methods such as magnetron sputtering and evaporation. The chemical reduction of gold in solution allows the manufacturing of various NPs shapes with control on their size but the transfer of these particles onto large surfaces is challenging. In the present case, the aim is to control the absorption peak but also to have a narrow absorption band in the visible using magnetron sputtering as a deposition technique as it allows the coating of large surfaces and is widely employed in the thin-film industry.