Silicon metasurface to enhancing Up-Conversion!

Our collaborative work with Prof. Gao (OB, Kunming University, China) was published on ACS Applied Materials & Interfaces! Congrats, Gao-kun & Liu-san!!

Photonic applications of up-conversion luminescence (UCL) suffer from poor external quantum yield owing to a low absorption cross-section of UCL nanoparticles (UCNPs) doped with lanthanide ions. In this regard, plasmonic nanostructures have been proposed for enhancing UCL intensity through strong electromagnetic local-field enhancement; however, their intrinsic ohmic loss opens additional nonradiative decay channels. Herein, we demonstrate that dielectric metasurfaces can overcome this disadvantage. A periodic array of amorphous-silicon nanodisks serves as a metasurface on which a layer of UCNPs is self-assembled. Sharp resonances supported by the metasurface overlaps the absorption wavelength (λ = 980 nm) of UCNPs to excite them, resulting in the enhancement of UCL intensity. We further sharpen the resonances through rapid thermal annealing (RTA) of the metasurface, crystallizing the silicon to reduce intrinsic optical losses. By optimizing the RTA condition (at 1000°C for 20 min in N₂/H₂ (3 vol%) atmosphere), the resonance quality factor improves from 17.2 to 32.9, accompanied by an increase in the enhancement factor of the UCL intensity from 86- to over 600-fold. Moreover, reduction in the intrinsic optical losses mitigates the UCL thermal quenching under a high excitation density. These findings provide a strategy for improving light–matter interactions in nanophotonic composite systems and promote UCNP applications. / アップコンバージョン発光 (UCL) のフォトニック応用において、ランタニドイオンがドープされた UCL ナノ粒子 (UCNP) の吸収断面積が小さいため、外部量子収率が低いです。 この点において、強力な局所電場増強を通じてUCL強度を増強するプラズモニックナノ構造が提案されています。 ただし、それらの固有のオーム損失により、追加の非放射減衰チャネルが開かれます。 本研究では、誘電体メタサーフェスがこの欠点を克服できることを実証します。 アモルファスシリコンナノディスクの周期的配列は、UCNPの層が自己組織化されるメタ表面として機能します。 メタ表面によってサポートされる鋭い共鳴は、UCNP の吸収波長 (λ = 980 nm) と重なり、UCNP を励起し、その結果 UCL 強度が増加します。 メタサーフェスの急速熱アニーリング (RTA) を通じて共振をさらに鋭くし、シリコンを結晶化して固有の光損失を低減します。 RTA 条件 (N₂/H₂ (3 vol%) 雰囲気中、1000°C、20 分間) を最適化することにより、共振Q値が 17.2 から 32.9 に向上し、それに伴い UCL 強度の増強が 86 から600倍以上になります。 さらに、固有の光損失の低減により、高い励起密度下での UCL の温度上昇と熱消光が軽減されます。 これらの発見は、ナノフォトニクス複合システムにおける光と物質の相互作用を改善するための戦略を提供し、UCNP の応用を促進します。

Enhancing Up-Conversion Luminescence Using Dielectric Metasurfaces: Role of the Quality Factor of Resonance at a Pumping Wavelength, Yuan Gao+, Libei Liu+, Shunsuke Murai*, Kenji Shinozaki and Katsuhisa Tanaka, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, XXXX, XXX, XXX-XXX https://doi.org/10.1021/acsami.3c06877 +equally contributed

本研究の一部は科研費 (Grant Nos. 22H01776 and 21H04619) 、カシオ科学振興財団、泉科学技術振興財団の助成を受け実施されました。記して謝意を示します。