Forscher entwickeln quaderförmige Nanoantenne aus Silizium

In einer neuen Publikation von Optoelektronische Fortschritte, Forscher der South China University of Technology, Guangzhou, China, diskutieren quaderförmige Silizium-Nanoantennen mit gleichzeitig großem Purcell-Faktor für elektrische Dipol-, magnetische Dipol- und elektrische Quadrupol-Emission.

Der Purcell-Effekt wird üblicherweise verwendet, um die spontane Emissionsrate zu erhöhen, indem die lokale Umgebung eines Lichtemitters modifiziert wird. Die Photonenzustandsdichte in der Nähe des Lichtemitters kann durch die metallischen oder dielektrischen Nanoantennen eingestellt werden, wodurch ihr spontaner Emissionsgrad modifiziert wird. Plasmonische Nanoantennen weisen außergewöhnliche Oberflächenplasmonenresonanzen auf, die ein stark lokalisiertes elektrisches Feld erzeugen und die lokale photonische Zustandsdichte erhöhen, was zu einer Erhöhung der spontanen Emissionsrate führt. Der Effekt wird jedoch von ungewollt großen Verlusten durch starke Metallabsorption begleitet. Im Gegensatz dazu bieten dielektrische Nanoantennen mit hoher Permittivität und Unterstützung starker Mie-Resonanzen das Potenzial, eine verlustarme Manipulation der Lichtstreuung zu realisieren. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass dielektrische Nanokugeln mit ausreichend großer Größe bei der Beleuchtung mit ebener Welle Resonanzmoden des elektrischen Dipols (ED), des magnetischen Dipols (MD) und des elektrischen Quadrupols (EQ) aufweisen können, und sie wurden verwendet, um die MD-Emission zu verstärken, oder um die ED- und MD-Emission mit jeweils unterschiedlichen Nanosphärengrößen zu verstärken. Es bleibt jedoch unklar, ob diese dielektrischen Nanokugeln oder andere allgemeinere dielektrische Nanostrukturen verwendet werden können, um gleichzeitig die spontane Emission von ED, MD und EQ mit sehr geringem Verlust und mit großem Ausmaß im Vergleich zu den plasmonischen Nanostrukturen zu verstärken.

Die Autoren dieses Artikels schlagen eine dielektrische Silizium-Nanoantenne vor, um gleichzeitig die elektrische Dipol-, magnetische Dipol- und elektrische Quadrupol-Emission zu verstärken. Sie untersuchen den Streuquerschnitt, die polarisierte Ladungsverteilung und die elektromagnetische Feldverteilung für elektromagnetische ebene Wellen, die die dielektrische quaderförmige Silizium-Nanoantenne beleuchten, und identifizieren dabei das gleichzeitige Vorhandensein von ED-, MD- und EQ-Resonanzmoden in dieser Nanoantenne. Der berechnete maximale Purcell-Faktor der ED-, MD- und EQ-Emitter bei unterschiedlichen Ausrichtungen innerhalb der Nanoantenne beträgt 18, 150 bzw. 118, was bei der Resonanzwellenlänge von 475, 750 bzw. 562 nm auftritt und mit den Resonanzmoden in übereinstimmt Nanoantenne und entsprechend den blauen, roten und grünen Farben. Die Polarisationsladungsverteilungsmerkmale helfen dabei, die Anregung und Abstrahlung dieser Resonanzmoden als den physikalischen Ursprung des großen Purcell-Faktors zu klären, der gleichzeitig in dieser quaderförmigen Silizium-Nanoantenne auftritt. Diese theoretischen Ergebnisse könnten dazu beitragen, die dielektrische Nanoantenne als idealen Kandidaten zur gleichzeitigen Verbesserung der ED-, MD- und EQ-Emission mit einem sehr geringen Verlust im sichtbaren Bereich, der dem populäreren Schema der plasmonischen Nanoantenne überlegen ist, gründlich zu erforschen und zu entwerfen.

Bereitgestellt von Compuscript Ltd