Development of Active Dielectric Si-Er Nanoantennas

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this work, theoretical and experimental studies on the development of sources emitting in the near infrared range based on active nanoantennas from silicon nanoparticles doped with erbium ions (Si–Er) are made. Numerical simulations have demonstrated an increase in the Purcell factor by two orders of magnitude for nanoparticles with electric or magnetic dipole resonance at the erbium radiation wavelength. The possibility of redistributing the radiation power of a point dipole source between a free space and a surface plasmon polariton by changing the height of the gap between the nanoparticle and the gold substrate was demonstrated. An experimental implementation of nanoantennas was also carried out. Due to femtosecond laser annealing, the crystallization of the Si–Er film and nanoparticles are made and the effect of laser-induced crystallization on their radiative properties is studied. Active nanoantennas have been developed and studied to control the emission of erbium ions in the near-IR range, representing resonant silicon nanocylinders doped with erbium. The results obtained are promising for the creation of nanophotonic telecommunication devices compatible with existing silicon fabrication technologies.

About the authors

Eduard I. Ageev

ITMO University

Author for correspondence.
Email: eduard.ageev@metalab.ifmo.ru
Russian Federation, 9 Lomonosova Str., Saint Petersburg, 191002, Russia

Anna A. Dyatlovich

ITMO University

Email: anna.dyatlovich@metalab.ifmo.ru
Russian Federation, 9 Lomonosova Str., Saint Petersburg, 191002, Russia

Vitaly V. Yaroshenko

ITMO University

Email: v.yaroshenko@metalab.ifmo.ru
Russian Federation, 9 Lomonosova Str., Saint Petersburg, 191002, Russia

Artem O. Larin

ITMO University

Email: Artem.larin@metalab.ifmo.ru
9 Lomonosova Str., Saint Petersburg, 191002, Russia

Liliia N. Dvoretckaia

Alferov Saint Petersburg National Research Academic University, RAS

Email: Liliyabutler@gmail.com
Russian Federation, 8/3 Khlopin Str., Saint Petersburg, 194021, Russia

Alexey M. Mozharov

Alferov Saint Petersburg National Research Academic University, RAS

Email: mozharov@spbau.ru
Russian Federation, 8/3 Khlopin Str., Saint Petersburg, 194021, Russia

Ivan S. Mukhin

Higher School of Engineering Physics, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: muhin_is@spbstu.ru

Director

Russian Federation, 29 Polytekhnicheskaya Str.,Saint Petersburg, 195251, Russia

Dmitry A. Zuev

ITMO University

Email: d.zuev@metalab.ifmo.ru
Russian Federation, 9 Lomonosova Str., Saint Petersburg, 191002, Russia

References

  1. D.N. Basov, M.M. Fogler. Nat. Nanotechnol., 2017, 12(3), 187. doi: 10.1038/nnano.2016.283.
  2. A.I. Kuznetsov, A.E. Miroshnichenko, M.L. Brongersma, Y.S. Kivshar, B. Luk’yanchuk. Science, 2016, 354(6314), aag2472. doi: 10.1126/science.aag2472.
  3. A. Faraon, P.E. Barclay, C. Santori, K.-M.C. Fu, R.G. Beausoleil. Nat. Photonics, 2011, 5(5), 301. doi: 10.1038/nphoton.2011.52.
  4. N. Kongsuwan, A. Demetriadou, R. Chikkaraddy, F. Benz, V.A. Turek, U.F. Keyser, J.J. Baumberg, O. Hess. ACS Photonics, 2018, 5(1), 186. doi: 10.1021/acsphotonics.7b00668.
  5. T.B. Hoang, G.M. Akselrod, C. Argyropoulos, J. Huang, D.R. Smith, M.H. Mikkelsen. Nat. Commun., 2015, 6, 7788. doi: 10.1038/ncomms8788.
  6. H. Aouani, M. Rahmani, M. Navarro-Cía, S.A. Maier. Nat. Nanotechnol., 2014, 9(4), 290. doi: 10.1038/nnano.2014.27.
  7. N. Bonod, Y. Kivshar. Comptes Rendus Phys., 2020, 21(4–5), 425. doi: 10.5802/crphys.31.
  8. S. Makarov, S. Kudryashov, I. Mukhin, A. Mozharov, V. Milichko, A. Krasnok, P. Belov. Nano Lett., 2015, 15(9), 6187. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b02534.
  9. J.S. Totero Gongora, A.E. Miroshnichenko, Y.S. Kivshar, A. Fratalocchi. Nat. Commun., 2017, 8(1), 15535. doi: 10.1038/ncomms15535.
  10. A.S. Zalogina, R.S. Savelev, E.V. Ushakova, G.P. Zograf, F.E. Komissarenko, V.A. Milichko, S.V. Makarov, D.A. Zuev, I.V. Shadrivov. Nanoscale, 2018, 10(18), 8721. doi: 10.1039/C7NR07953B.
  11. V. Rutckaia, F. Heyroth, A. Novikov, M. Shaleev, M. Petrov, J. Schilling. Nano Lett., 2017, 17(11), 6886. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b03248.
  12. E.Y. Tiguntseva, G.P. Zograf, F.E. Komissarenko, D.A. Zuev, A.A. Zakhidov, S.V. Makarov, Y.S. Kivshar. Nano Lett., 2018, 18(2), 1185. doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04727.
  13. J. Xiang, J. Chen, Q. Dai, S. Tie, S. Lan, A.E. Miroshnichenko. Phys. Rev. Appl., 2020, 13(1), 014003. doi: 10.1103/PhysRevApplied.13.014003.
  14. Y. Yang, H. Kang, C. Jung, J. Seong, N. Jeon, J. Kim, D.K. Oh, J. Park, H. Kim, J. Rho. ACS Photonics, 2023, 10(2), 307. doi: 10.1021/acsphotonics.2c01341.
  15. D.G. Baranov, R.S. Savelev, S.V. Li, A.E. Krasnok, A. Alù. Laser Photon. Rev., 2017, 11(3), 1600268. doi: 10.1002/lpor.201600268.
  16. T.H. Taminiau, S. Karaveli, N.F. Van Hulst, R. Zia. Nat. Commun., 2012, 3(1), 979. doi: 10.1038/ncomms1984.
  17. H. Nabika, S. Deki. J. Phys. Chem. B, 2003, 107(35), 9161. doi: 10.1021/jp035741b.
  18. A.B. Evlyukhin, C. Reinhardt, A. Seidel, B.S. Luk’Yanchuk, B.N. Chichkov. Phys. Rev. B, 2010, 82(4), 045404. doi: 10.1103/PhysRevB.82.045404.
  19. B. Choi, M. Iwanaga, Y. Sugimoto, K. Sakoda, H.T. Miyazaki. Nano Lett., 2016, 16(8), 5191. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b02200.
  20. A.E. Krasnok, A.P. Slobozhanyuk, C.R. Simovski, S.A. Tretyakov, A.N. Poddubny, A.E. Miroshnichenko, Y.S. Kivshar, P.A. Belov. Sci. Rep., 2015, 5(1), 12956. doi: 10.1038/srep12956.
  21. M.A. Green. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2008, 92(11), 1305. doi: 10.1016/j.solmat.2008.06.009.
  22. V. Yaroshenko, D. Zuev, A.B. Evlyukhin. Surfaces and Interfaces, 2022, 34, 102344. doi: 10.1016/j.surfin.2022.102344.
  23. A.V. Kabashin, A. Singh, M.T. Swihart, I.N. Zavestovskaya, P.N. Prasad. ACS Nano, 2019, 13(9), 9841. doi: 10.1021/acsnano.9b04610.
  24. M.A. van de Haar, J. van de Groep, B.J.M. Brenny, A. Polman. Opt. Express, 2016, 24(3), 2047. doi: 10.1364/OE.24.002047.
  25. I. Staude, J. Schilling. Nat. Photonics, 2017, 11(5), 274. doi: 10.1038/nphoton.2017.39.
  26. D.M. Zhigunov, A.B. Evlyukhin, A.S. Shalin, U. Zywietz, B.N. Chichkov. ACS Photonics, 2018, 5(3), 977. doi: 10.1021/acsphotonics.7b01275.
  27. C. Zaza, I.L. Violi, J. Gargiulo, G. Chiarelli, L. Schumacher, J. Jakobi, J. Olmos-Trigo, E. Cortes, M. König, S. Barcikowski, S. Schlücker, J.J. Sáenz, S.A. Maier, F.D. Stefani. ACS Photonics, 2019, 6(4), 815. doi: 10.1021/acsphotonics.8b01619.
  28. M. Naffouti, T. David, A. Benkouider, L. Favre, A. Ronda, I. Berbezier, S. Bidault, N. Bonod, M. Abbarchi. Nanoscale, 2016, 8(5), 2844. doi: 10.1039/C5NR07597A.
  29. S. Syubaev, E. Mitsai, S. Starikov, A. Kuchmizhak. Opt. Lett., 2021, 46(10), 2304. doi: 10.1364/OL.425809.
  30. K. Bronnikov, A. Dostovalov, A. Cherepakhin, E. Mitsai, A. Nepomniaschiy, S.A. Kulinich, A. Zhizhchenko, A. Kuchmizhak. Materials (Basel), 2020, 13(22), 5296. doi: 10.3390/ma13225296.
  31. A.O. Larin, E.I. Ageev, L.N. Dvoretckaia, A.M. Mozharov, I.S. Mukhin, D.A. Zuev. JETP Lett., 2021, 114(11), 681. doi: 10.1134/S0021364021230090.
  32. A.O. Larin, L.N. Dvoretckaia, A.M. Mozharov, I.S. Mukhin, A.B. Cherepakhin, I.I. Shishkin, E.I. Ageev, D.A. Zuev. Adv. Mater., 2021, 33(16), 2005886. doi: 10.1002/adma.202005886.
  33. A. Polman. Phys. B Condens. Matter, 2001, 300(1), 78. doi: 10.1016/S0921-4526(01)00573-7.
  34. Y. Nagasaki, M. Suzuki, I. Hotta, J. Takahara. ACS Photonics, 2018, 5(4), 1460. doi: 10.1021/acsphotonics.7b01467.
  35. A. Prnová, J. Valúchová, N. Mutlu, M. Parchovianský, R. Klement, A. Plško, D. Galusek. J. Therm. Anal. Calorim., 2020, 142(1), 129. doi: 10.1007/s10973-020-09816-3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Ageev E.I., Dyatlovich A.A., Yaroshenko V.V., Larin A.O., Dvoretckaia L.N., Mozharov A.M., Mukhin I.S., Zuev D.A.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».