De waarde die wordt berekend met de driedimensionale (3D) eindige-differentie tijdsdomein (FDTD) methode is in feite meer dan een orde van grootte groter dan Qp_exp·QS_exp. In heterostructuur nanocaviteiten wordt verwacht dat de experimentele Q-waarden lager zullen zijn dan de theoretische Q-waarden, omdat de straal, de positie en de hoek van de zijwanden van de luchtgaten afwijken van de ideale waarden. Dit veroorzaakt verstrooiingsverliezen in de nanocaviteit [83, 84]. Bovendien absorberen onzuiverheden en defecten op het oppervlak en in de siliconen resonator licht. Dit vermindert ook de experimentele Q-waarde, aangezien het absorptieverliezen in de resonator veroorzaakt [72, 73]. Om de drempelstroom (Ith) te verlagen, is een verbetering in het fabricageproces van groot belang.

Een tweede voordeel van het ontwerp in Figuur 4.10 is dat de caviteitsvolumes voor beide modi (Vp en VS) kunnen worden gereduceerd tot ongeveer een kubieke golflengte. Dit ontwerp maakt het mogelijk om een buitengewoon hoge QpQS/V te bereiken, wat resulteert in een laserdrempel van minder dan 100 nW [82]. Ten derde kan de frequentieafstand (Δf = fp − fS = c/λp − c/λS) tussen deze nanocaviteitmodi worden afgesteld op de Ramanverschuiving van de siliconen nanocaviteit, die 15,606 THz bedraagt [43], door de straal van het luchtgat aan te passen, zoals weergegeven in Figuur 4.13a [85]. Deze afstembaarheid komt voort uit het inherente verschil in pariteit, waardoor de elektrische veldsterktes van de twee modi binnen de luchtgaten fundamenteel ongelijk zijn. Handig is dat de Δf in de Figuur 4.10 en 4.12 dicht bij 15,606 THz ligt wanneer de roosterconstante a wordt ingesteld voor werking binnen telecommunicatiebanden tussen 1,30 en 1,60 µm. Het nauwkeurig afstemmen van de frequentieafstand op 15,606 THz is cruciaal voor de efficiënte generatie van Ramanverspreid licht in de Stokes-nanocaviteitmode, omdat de Raman-versterkingscoëfficiënt gcavR in Eq. (4.2) volgt de onderstaande relatie [81]:

gcavR∝RSi2V2g_{cavR} \propto R_{Si}^2 V^2

De variabelen gR_Si en Δ geven respectievelijk de Raman-versterkingscoëfficiënt van bulk-silicium en de Raman-versterkingsbandbreedte aan, die beide afhangen van de kristallinititeit van silicium. VR staat voor het effectieve modale volume voor Ramanverstrooiing, zoals weergegeven in Eq. (4.9). De variabele Δf det. geeft de afwijking van de werkelijke Δf van 15,606 THz aan. De Δf-waarden in Figuur 4.11 en 4.12 zijn respectievelijk 15,589 THz en 15,603 THz. Aangezien het verhogen van Δf det. de Raman-versterking van gcavR vermindert, zal de Ith toenemen, zoals weergegeven in Figuur 4.13b [86]. Het vermogen om Δf det. te controleren door de straal van het luchtgat aan te passen, is een aanzienlijk voordeel.

Tot slot moet worden opgemerkt dat de heterostructuur nanocaviteit een hoge Raman-versterking bereikt wanneer deze wordt vervaardigd langs een specifieke kristallografische richting van het siliconen-op-isolator (SOI) substraat. Figuur 4.14a toont de berekende x- en y-componenten van de elektrische veldverdeling voor de pomp-nanocaviteitmode, respectievelijk aangeduid als Ex_pump en Ey_pump. Evenzo toont Figuur 4.14b de overeenkomstige elektrische veldverdelingen voor de Stokes-nanocaviteitmode, aangeduid als Ex_Stokes en Ey_Stokes. Deze veldverdelingen werden afgeleid met behulp van de FDTD-methode. Vanwege hun oorsprong in verschillende voortplantingsmodi, vertonen Ex_pump en Ex_Stokes verschillende pariteiten. Dit geldt ook voor Ey_pump en Ey_Stokes. De gekruiste veldcomponenten, zoals Ex_pump en Ey_Stokes, hebben echter dezelfde lijnsymmetrie en vertonen vergelijkbare verdelingen. Bijgevolg, als de polarisatie van het licht dat in de pompmodus is gevangen, een rotatie van 90° ondergaat in het x–y vlak door het Raman-verstrooiingsproces, kan het Raman-verstrooide licht effectief worden gevangen in de Stokes-modus. Deze bevinding is van cruciaal belang, aangezien het aantoont dat dit unieke paar modi de Raman-versterking aanzienlijk kan verbeteren door zorgvuldig de kristallografische oriëntatie te kiezen waarin de nanocaviteit wordt vervaardigd.

Indien het apparaat op een standaard (100) siliconen-op-isolator substraat wordt gebouwd, kan de x-as van de nanocaviteit worden uitgelijnd met de [100] of [110] kristallografische richting. Figuur 4.14c illustreert een microscopisch model van in-vlak Ramanverstrooiing wanneer de x-as van de caviteit is uitgelijnd met de [100] richting in silicium. In dit model worden blauwe bollen gebruikt om siliciumatomen aan te duiden, met grijze lijnen die de covalente bindingsprojecties op het x–y vlak vertegenwoordigen. De blauwe en rode pijlen geven de richting van het elektrische veld aan.

Endtext

Hoe kunnen structurele kleuren industrieel worden toegepast met geavanceerde materialen en technieken?

De ontwikkeling van structurele kleuren op industriële schaal vereist een precieze afstemming tussen materiaalkeuze, fabricagemethoden en optische eigenschappen. Bij transmissieve structurele kleurfilters wordt gebruikgemaakt van multilagen die, door het onderdrukken van hogere orde resonanties, een hoge kleurverzadiging, brede kijkhoeken en een hoge efficiëntie bereiken. De praktische realisatie ervan wordt getoond aan de hand van transmissieve kleurfilters op een glazen substraat – een configuratie die indrukwekkende optische prestaties levert.

Materialen zoals germanium (Ge) tonen zich veelbelovend voor dergelijke toepassingen vanwege hun hoge diëlektrische constante, hoewel het materiaal vooral gebruikt wordt in het infraroodgebied. De uitdaging is om dit soort materialen te benutten in het zichtbare spectrum door mechanismen zoals interferentie en diffractie. Terwijl massaproductie zich vooral richt op bekende en gestandaardiseerde materialen, bieden R&D-afdelingen ruimte om minder conventionele oplossingen te verkennen en nieuwe technologieën in een experimentele fase te testen.

De kernuitdagingen bij industriële implementatie blijven echter fundamenteel: schaalbaarheid, resolutie, kostenbeheersing, materiaalcompatibiliteit, duurzaamheid en uitlijningsnauwkeurigheid. De laboratoriumtechnologieën die vandaag als ‘kleinschalig’ gelden, kunnen zich morgen vertalen in robuuste en winstgevende processen, mits ze technologisch opschaalbaar zijn.

Structurele rode kleuring is een bijzonder complex gebied binnen dit domein. Interferentiegebaseerde methodes stuiten op een intrinsiek probleem: het verlengen van het optische pad om een resonantie in het rode bereik te verkrijgen leidt onvermijdelijk tot een bijkomende resonantie in het blauwe bereik – met als resultaat een magenta kleur. Door verlieslatende materialen in dunne multilagen te integreren, kan de reflectie in het blauw worden onderdrukt via absorptie, zolang de laagdikte beperkt blijft om hoekonafhankelijke kleurechtheid te behouden.

Een alternatief wordt geboden door Mie-verstrooiing via breedbandige diëlektrische nanostructuren, zoals siliciumcilinders. Door deze structuren optisch te isoleren met een antireflectiecoating, kan een vrije-ruimte-effect worden gesimuleerd dat lijkt op gekleurd glas, maar dan met stabiele, duurzame materialen. Door cilinders van verschillende grootte in schaakbordpatronen te combineren, kunnen specifieke kleuren met precisie worden afgestemd.

De meest geavanceerde benadering voor het verkrijgen van een zuivere structurele rode kleur maakt gebruik van BIC-structuren – bound states in the continuum. Deze structuren, opgebouwd uit TiO₂-pilaren op SiO₂-substraat, vertonen een resonantie zonder achtergrondruis. De breedte van de resonantie wordt gereguleerd door asymmetrie in de eenheidscel, wat een verfijnde controle over de optische respons mogelijk maakt. Deze configuratie vereist echter extreem nauwkeurige fabricatietechnieken, gezien de gevoeligheid van het systeem voor geometrische en angulaire variaties.

Een bijkomende richting in het veld is kleuring gebaseerd op 2D-materialen. Hierbij ontstaan structurele kleuren als gevolg van interferentie tussen het dunne 2D-materiaal en een onderliggende SiO₂-laag. Het resulterende kleurcontrast is direct gerelateerd aan de faseverschuiving van het gereflecteerde licht, bepaald door de refractieve index van zowel het vlokje als het substraat. De kleur verandert met de laagdikte – een effect dat bijvoorbeeld wordt gebruikt bij karakterisering van grafeen en MoS₂. De sterkte van het optisch contrast is golflengteafhankelijk, mede door dispersie in het substraatmateriaal (zoals silicium), waardoor zeer gevoelige detectie van de materiaaldikte mogelijk wordt.

Het gebruik van 2D-materialen biedt enorme mogelijkheden vanwege hun bandstructuren die het gehele zichtbare spectrum overspannen. Materialen als zwarte fosfor kunnen, dankzij hun sterke absorptie, ook ingezet worden voor het creëren van diepe, verzadigde kleuren – essentieel voor toepassingen in displays en optische identificatiesystemen.

Voor de succesvolle integratie van deze technologieën in industriële toepassingen moeten enkele cruciale principes worden begrepen. Structurele kleuren verschillen fundamenteel van pigmentkleuren: hun stabiliteit, duurzaamheid en hoekafhankelijkheid zijn direct gekoppeld aan nanostructurering en materiaalkeuze. Het ontwerpen van deze systemen vereist interdisciplinaire kennis van optica, materiaalwetenschappen en nanofabricatie.

Daarnaast is het essentieel om de beperkingen van de gebruikte materialen te onderkennen. Veel plasmonische materialen zoals zilver en koper zijn instabiel op lange termijn. Polymeermaterialen zijn gevoelig voor thermische degradatie, terwijl oxidegebaseerde materialen zoals SiO₂ en TiO₂ weliswaar stabiel zijn, maar een lage refractieve index hebben die de optische respons beperkt. Het vinden van het juiste compromis tussen optische prestaties en verwerkbaarheid vormt de kern van elk succesvol ontwerptraject

Kunnen fysische kleurmethoden traditionele chemische kleurpigmenten vervangen?

De voortdurende ontwikkeling van innovatieve materialen heeft geleid tot de opkomst van niet-chemische pigmenten, die mogelijk een revolutie kunnen teweegbrengen in de wereld van kleurtechnologieën. In plaats van traditionele chemische pigmenten, die vaak schadelijke effecten op het milieu hebben, kan het gebruik van fysische fenomenen zoals interferentie, golfgeleiding en plasmonische resonanties nu de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie kleurpigmenten. Deze materialen, die gebruik maken van structuureffecten in plaats van chemische samenstellingen, bieden aanzienlijke voordelen op het gebied van duurzaamheid en efficiëntie. Het is deze verschuiving die de overgang van chemische naar fysische methoden van kleurgeneratie mogelijk maakt.

Structuurkleur, die wordt gegenereerd door micro- en nanostructuren die licht op een bepaalde manier manipuleren, kan niet alleen worden toegepast in verf, maar ook in een breed scala van functionele toepassingen, waaronder optische en elektronische componenten. De ontwikkeling van grote, structureel gekleurde folies, bijvoorbeeld, maakt het mogelijk om grootschalige kleurproductie te realiseren zonder de nadelige effecten van chemische kleurstoffen. Het gebruik van deze technologieën kan leiden tot een aanzienlijke vermindering van de milieu-impact van kleurstofproductie, aangezien veel van de traditionele processen betrokken zijn bij het vervaardigen van kunstmatige kleurstoffen schadelijk kunnen zijn voor zowel de natuur als de gezondheid.

Bijvoorbeeld, plasmonische resonanties kunnen een specifiek kleurenspectrum creëren door middel van de interactie van licht met nanoschaalstructuren, waardoor de noodzaak voor traditionele kleurstoffen wordt geëlimineerd. Deze benadering wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende op het gebied van zowel de wetenschap van materialen als duurzaamheid. Daarnaast zijn er ook veelbelovende toepassingen van deze technologieën in de textiel- en verpakkingsindustrie, waar ze kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van producten die zowel visueel aantrekkelijk als ecologisch verantwoord zijn.

De vooruitgangen op het gebied van kunstmatige structurele kleuren worden mogelijk gemaakt door de integratie van verschillende disciplines, van optica en nanotechnologie tot materiaalwetenschappen en chemie. Onderzoekers hebben de afgelopen jaren aanzienlijke vorderingen geboekt in het begrijpen van de fundamentele principes achter deze technologieën. De recente vooruitgangen in de fabricage van gedrukte structurele kleuren openen de deur naar nieuwe mogelijkheden voor het integreren van optische eigenschappen in materialen die zowel functioneel als esthetisch aantrekkelijk zijn.

Wat betreft de praktische toepassing, is het essentieel te erkennen dat de schaalbaarheid en de kosteneffectiviteit van dergelijke technologieën cruciaal zullen zijn voor hun bredere acceptatie. Dit geldt met name voor de massaproductie van grote oppervlakken die structurele kleur bevatten. Hier komen geavanceerde fabricagemethoden zoals roll-to-roll lithografie en nanolithografie in beeld, waarmee de productie van deze materialen op grote schaal mogelijk wordt gemaakt.

Naast de opkomende kansen, is het belangrijk om de uitdagingen te begrijpen die gepaard gaan met de ontwikkeling en implementatie van kunstmatige structurele kleuren. Een van de belangrijkste beperkingen is de complexiteit van het fabricageproces en de noodzaak voor nauwkeurige controle over de afmetingen en vormen van de structuren die de kleur bepalen. Microscopische defecten kunnen bijvoorbeeld de optische eigenschappen van de kleur beïnvloeden, wat de prestaties van het materiaal in toepassingen zoals beveiligingsmarkeringen of optische filters kan verminderen.

Toch blijft de belofte van deze technologieën groot, vooral gezien hun potentieel om traditionele chemische kleurstoffen te vervangen in tal van industriële toepassingen. Van verf en coating tot elektronische schermen en beveiligingssystemen, de mogelijkheden van structurele kleur zijn enorm. Bovendien is er een groeiende interesse in de integratie van deze technologieën in responsieve systemen die hun kleur kunnen aanpassen op basis van omgevingsomstandigheden, wat een nieuwe dimensie toevoegt aan de functionele en esthetische waarde van materialen.

Wat daarnaast van belang is, is dat kunstmatige structurele kleuren zich niet alleen beperken tot het gebruik in visuele toepassingen, maar ook integreren met andere technologieën zoals sensoren en dataopslag. De opkomst van structurele kleur-QR-codes bijvoorbeeld, die kunnen dienen voor de opslag van meervoudige informatiekanalen met verbeterde optische veiligheid, is een voorbeeld van hoe deze technologieën verder gaan dan alleen kleur en een breed scala aan toepassingen kunnen ondersteunen.

Ten slotte is het belangrijk om de ecologische en maatschappelijke implicaties van de overgang naar fysische kleurtechnologieën te overwegen. Aangezien de meeste traditionele kleurstoffen kunstmatig en vaak giftig zijn, kan de verschuiving naar duurzame, niet-chemische alternatieven niet alleen de milieu-impact verminderen, maar ook bijdragen aan het bevorderen van een circulaire economie en het verminderen van de afhankelijkheid van niet-hernieuwbare bronnen. Dit is vooral belangrijk in de context van de huidige milieu-uitdagingen en de toenemende vraag naar duurzamere productiemethoden in verschillende industrieën.

Welke vogelsoorten komen vaak als zwerfvogels voor in Noord-Afrika?
Hoe de tijdafhankelijke absorptie-analyse van vloeibaar water het spectrale gedrag beïnvloedt
Hoe Neuro-Fuzzy Systemen en Optimalisatie Technieken de Toekomst van Duurzame Energie Vormgeven