Annealing induces unidirectional emission
Libei Liu (D2) and Feifei Zhang (PD, OB)’s work on Si metasurface is out in Advanced Photonics Research!(Open access) This work shows annealing reduces the optical loss of Si metasurface drastically so that the hidden lattice Kerker effect appears. Further unidirectional emission that breaks out-of-plane symmetry occurs by coupling lattice Kerker effect with optical emitters. 熱処理によるアモルファスSiメタ表面への熱処理による結晶化と共鳴の制御、さらに面外異方的な発光観察に関するLiuらの成果がAdvanced Photonics Research誌(オープンアクセス、どなたでも購読契約無しで見られます)に掲載されました！ この研究で特に面白いのが面外片方向への発光です。この技術が照明技術に活かせたら、省エネに革新的でしょう。Congrats! Liu-san & FF!
The resonant phenomena of metasurfaces highly depend on the scattering strength of each component and their interferences. The losses modify the phase and reduce the amplitude of all multipoles, thus the loss control is vital for obtaining the designed properties. Amorphous (a-)Si has a refractive index comparable to that of crystalline form while its loss is much higher, limiting its optical application. We find a simple rapid thermal annealing (RTA) path to refine thea-Si metasurfaces. We apply it to the sputtering-made-Si metasurface comprising square array of nanodisks. While the large loss smears out the resonances for the as-made meta-surface, the sharp and near-zero reflectance with near-perfect absorptance is achieved after the RTA, satisfying the lattice Kerker condition via the interference of magnetic and electric dipoles. At the lattice Kerker condition, we observe the forward-enhanced and backward-reduced directional photoluminescence from the emitter layer deposited on the metasurface, which is the consequence of constructive and destructive interference of the dipoles. The numerical results are all found to be in good agreement with the exper-imental results, and the multipole expansion analysis for the single nanodisk gives the physical background of this observation. Thisrefinement ofa-Si metasurfaces by RTA treatment paves the simple and robust way of realizing thrilling optical and opto-electricalapplications. / メタ表面の共鳴現象は、各成分の散乱強度とその干渉に大きく依存します。損失は位相を変更し、すべての多重極の振幅を減少させるため、設計された特性を得るには損失制御が不可欠です。アモルファス（a-）Siの屈折率は結晶Siの屈折率に匹敵しますが、その損失ははるかに高く、光学的用途が制限されます。 本研究では、a-Siメタ表面を高性能化するための単純なラピッドサーマルアニーリング（RTA）パスを見つけます。この手法をスパッタで成膜したSiナノディスクの正方形アレイからなるSiメタ表面に適用します。大きな損失により、製造されたままのメタ表面の共鳴が不鮮明になりますが、RTA後には、ほぼ完全な吸収率でシャープでほぼゼロの反射率が達成され、磁気双極子と電気双極子の干渉によって格子Kerker条件を満たすことができます。メタ表面に堆積したエミッター層からの発光は、双極子の建設的および破壊的な干渉により、前方へ増強され、後方で弱い、指向性を示します。数値結果はすべて実験結果とよく一致していることがわかり、単一ナノディスクの多重極展開分析はこの観察の物理的背景を示しています。
Loss control with annealing and lattice Kerker effect in silicon meta-surfaces, Libei Liu Feifei Zhang Shunsuke Murai* Katsuhisa Tanaka (LL and FZ equally contributed to this work) 2021, 2100235 https://doi.org/10.1002/adpr.202100235 (Open access)
This work was partly supported by the Nanotechnology Hub, Kyoto University (JPMXP09F19NMC042). The authors gratefully acknowledge the financial support by Kakenhi 科研費(19K22058, 19H02434, and 21H04619) from MEXT, Japan and the Asahi Glass Foundation（旭硝子財団）.