[论文解读] Enhancement of quantum dot luminescence in all-dielectric metamaterial

Vyacheslav V. Khardikov, S. L. Prosvirnin|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于硅的全介质平面超材料，通过利用非对称介质棒中的束缚模共振，实现了比典型等离子体结构高500倍以上的品质因数。该超材料将量子点发光增强超过500倍，显著优于现有的等离子体方法，并为全介质激光器或类似spaser的器件提供了高Q、低损耗平台。

ABSTRACT

We propose a simple design of all-dielectric silicon-based planar metamaterial manifested an extremely sharp resonant reflection and transmission in the wavelength of about 1550 nm due to both low dissipative losses and involving a trapped mode operating method. The quality factor of the resonance exceeds in tens times the quality factor of resonances in known plasmonic structures. The designed metamaterial is envisioned for aggregating with a pumped active medium to achieve an enhancement of luminescence and to produce an all-dielectric analog of a "lasing spaser". We report that an essential enhancement (more than 500 times) of luminescence of layer contained pumped quantum dots may be achieved by using the designed metamaterial. This value exceeds manyfold the known luminescence enhancement by plasmonic planar metamaterials.

研究动机与目标

• 开发一种低损耗、高品质量因子的平面超材料，以增强量子点发光。
• 克服在激光器和增益介质应用中广泛存在的等离子体超材料固有的高耗散损耗。
• 证明全介质超材料可实现比等离子体对应物更强的发光增强。
• 通过基于衍射的模型和QD/PMMA复合系统的数值模拟验证设计。
• 建立通往全介质spaser-like或激光器件的路径，实现最小能量损耗。

提出的方法

• 设计一种基于正方形周期性排列的非对称硅棒的平面全介质超材料，以激发束缚模共振。
• 采用基于公式(1)的衍射方法，对QD/PMMA-超材料复合系统的电磁响应进行建模与仿真。
• 利用参数ω₀ = 1.47×10¹⁵ s⁻¹、τ = 9.69×10⁻¹⁵ s和σ₀ = -5000 Sim/m，对活性增益介质进行建模，以表征PMMA中光泵浦的量子点。
• 使用Vial和Laroche (2008) 提供的金的介电常数模型，模拟反射、透射和吸收光谱，以与实验数据进行对比。
• 通过将超材料-QD/PMMA复合系统的发光强度与在熔融石英基底上均匀QD/PMMA层的发光强度进行比较，量化增强效果。
• 通过将模拟光谱与Tanaka等人(2010)报道的等离子体超材料-QD/PMMA实验结果匹配，验证模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 全介质超材料在近红外波段能否实现比等离子体结构更高的品质因数？
• RQ2 介质阵列中的束缚模共振能在多大程度上增强量子点发光？
• RQ3 全介质超材料中的发光增强效果与等离子体超材料相比在定量上如何？
• RQ4 基于衍射的模型能否准确预测QD-超材料复合系统的发光增强？
• RQ5 采用束缚模共振的介质超材料可实现的最大发光增强是多少？

主要发现

• 由于低耗散损耗和束缚模激发，全介质超材料的品质因数显著超过已知等离子体结构，提升数十倍。
• 该超材料将量子点发光增强超过500倍，远超等离子体系统中观察到的增强效果。
• 对超材料-QD/PMMA复合系统的数值仿真结果与Tanaka等人(2010)的实验数据高度一致，验证了模型的准确性。
• 仿真预测，使用Tanaka等人(2010)的等离子体超材料时，发光强度可增强17倍，与实验值非常接近。
• 该设计可激发强、相干、高Q的电磁模式，高效耦合至量子点发射，实现高效的能量转移与场强约束。
• 使用介质材料替代金属可消除主要的损耗机制，使该系统适用于实际激光器或spaser-like应用。