Oxidation pathway to titania metasurfaces
Our work on TiO2 metasurface is out in Journal of Applied Physics! / TiO2のメタサーフェスの新規作製法と発光制御に関する愛知（M2）らの成果がJournal of Applied Physicsに掲載されました! Congrats, Aichi-kun!
Although titanium dioxide (TiO2) is a promising constituent of the metasurface operative in the visible, the experimental demonstration is limited so far because TiO2 is intrinsically chemically/physically stable and is hard to be processed into nanostructures with high precision. In this paper, we develop a facile pathway to fabricate the TiO2 metasurface via oxidation of Ti nanoparticle array that can be made by the conventional lift-off process. Under an optimized heat-treatment procedure in air, Ti nanoparticles are converted to TiO2 nanoparticles with a size expansion predictable by the molar volume mismatch between Ti and TiO2, while the global periodic arrangement is retained. We apply this technique to a Ti nanoparticle array fabricated on the phosphor plate of yttrium aluminum garnet doped with Ce3+ (YAG:Ce) and demonstrate the directional outcoupling of emission through the metasurface. The photoluminescence from the YAG:Ce plate is directionally enhanced in the forward direction, as large as three times as much compared to that from the flat YAG:Ce plate without the metasurface. Because of the high transparency and lossless feature of TiO2 in the visible, the present metasurface does not lower the total quantum yield of the system consisting of the YAG:Ce plate and the TiO2 metasurface, which is beneficial for the solid-state-lighting application. / 二酸化チタン(TiO2)は、可視で機能するメタ表面の有望な材料ですが、TiO2は本質的に化学的/物理的に安定しており、高精度でナノ構造に加工することが難しいため、実験の実証はこれまでのところ限られていました。この論文では、従来のリフトオフプロセスで作製できるTiナノ粒子アレイの酸化を介してTiO2メタ表面を製造するための簡単な経路を開発しました。空気中での最適化された熱処理手順の下で、Tiナノ粒子はTiO2ナノ粒子に変換され、サイズの拡大はTiとTiO2の間のモル体積の違いによって予測可能ですが、巨視的な周期的配置は保持されます。この手法を、Ce3+(YAG：Ce)をドープしたイットリウムアルミニウムガーネットの蛍光基板上に作製されたTiナノ粒子アレイに適用し、メタ表面を介した発光の指向性アウトカップリングを示します。 YAG：Ceプレートからの蛍光は、メタサーフェスのない平らなYAG：Ceプレートからの蛍光と比較して、正面方向に3倍も増強されます。可視光におけるTiO2の高い透明性と無損失の特徴により、現在のメタ表面は、YAG：CeプレートとTiO2メタ表面からなるシステムの総量子収率を低下させません。これは、固体照明アプリケーションに有益です。
Shunsuke Murai, Feifei Zhang, Koki Aichi, and Katsuhisa Tanaka , “Oxidation pathway to the titanium dioxide metasurface for harnessing photoluminescence” , Journal of Applied Physics 129, 163101 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0046637
This work was partly supported by the Nanotechnology Hub, Kyoto University (No. JPMXP09F19NMC042). We gratefully acknowledge the financial support by Kakenhi 科研費 (Nos. 19K22058, 19K22055, and 19H02434) from MEXT, Japan.