Optimization of resonant all-dielectric nanoparticles for optical manipulation and light management
Doktorsavhandling, 2019

The resonant interaction between light and matter lies at the heart of nanophotonics research. In particular, nanoparticles that possess optical resonances in the visible spectral range have been avidly studied and employed for various technical and biological applications in the last two decades.
While the most commonly employed nanoparticles are metallic ones with localized plasmonic resonances, these particles suffer from inevitable optical losses and parasitic photothermal heating.
Recently, through the advent of new fabrication techniques, all-dielectric nanoparticles with high refractive index have arisen as a competitive alternative both as colloidal nanoparticles and as building blocks in metasurfaces. These particles present low-loss geometric resonances of electric and magnetic character with Q-factors comparable to plasmonic nanoparticles. Importantly, the various multipolar responses excited in these particles can be engineered to interact and give rise to highly directional scattering or light confinement.
This thesis focuses on the design, modelling and optimization of resonant all-dielectric nanoparticles for nanophotonic applications through electrodynamics simulations such as finite-difference time-domain and various analytical or semi-analytical models.
It is demonstrated that highly specific design of metasurfaces with silicon nanoantennas can yield close to 100% optical absorption at specific light wavelengths. The effect is a result of complete destructive interference between different multipolar excitations and can be achieved despite the low intrinsic losses of silicon.
Further, this effect is exploited to propose a novel solar harvesting device using nanostructured amorphous silicon with theoretically predicted efficiencies that approach state-of-the-art thin film solar cells.
Owing to their significant interaction with light and generally low losses, resonant all-dielectric particles are promising candidates for nanoscopic handles in biological systems. This thesis therefore focuses partly on optical forces and manipulation of silicon nanoparticles. The zero-backscattering Kerker  condition is investigated as an avenue to decrease radiation pressure in an optical trap. Moreover, a comparison to more conventional nanoparticle materials for optical tweezers such as gold and polystyrene is made, including photothermal effects. Lastly, the interaction of porous silicon nanoantennas with subwavelength emitters or absorbers is studied and the influence of porosity, pore size, and pore placement is elucidated.

FDTD

Nanophotonics

Metasurfaces

Optical Forces

All-dielectric

Perfect Absorption

Silicon

PJ-salen, Fysikgården 1
Opponent: Prof. Nicolas Bonod, Institut Fresnel CNRS, Aix-Marseille Université, Marseille, France

Författare

Nils Odebo Länk

Chalmers, Fysik, Bionanofotonik

Large-Scale Silicon Nanophotonic Metasurfaces with Polarization Independent Near-Perfect Absorption

Nano Letters,; Vol. 17(2017)p. 3054-3060

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Metasurfaces and Colloidal Suspensions Composed of 3D Chiral Si Nanoresonators

Advanced Materials,; Vol. 29(2017)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Directional scattering and multipolar contributions to optical forces on silicon nanoparticles in focused laser beams

Optics Express,; Vol. 26(2018)p. 29074-29085

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Odebo Länk, N, Käll, M, Antosiewicz, T. J. Electromagnetic energy distribution in resonant quasi porous silicon nanostructures

Vismara, R, Odebo Länk, N, Verre, R, Käll, M, Isabella, O, Zeman, M. Solar harvesting based on all-dielectric perfect absorbing metasurfaces

Odebo Länk, N, Johansson, P, Käll, M. Thermal effects and trap stability for nanoparticle spheres in an optical trap

Växelverkan mellan ljus och materia är en av de viktigaste koncepten både för människan och för naturen som helhet. Människans förståelse för och förmåga att tämja denna växelverkan har lett till många viktiga teknologiska framgångar. Det vi typiskt kallar ”ljus” i vardagligt tal är i själva verket bara en liten del av det elektromagnetiska spektrat, men vår nyfikenhet och uppfinningsrikedom är inte begränsad till bara synligt ljus. Radiovågorna vi använder för att kommunicera över långa avstånd och mikrovågorna vi använder för att värma vår mat är exempel på samma typ av strålning, fast med lägre frekvens. På andra sidan hittar vi Röntgen- och gammastrålning som exempel med högre frekvens. Vikten av att förstå samspelet mellan ljus och materia sträcker sig alltså från radio- och mobilkommunikation och rymdforskning till att förstå hur radioaktivt sönderfall som ger upphov till gammastrålning kan vara skadligt för kroppen.

Denna avhandling utforskar växelverkan mellan ljus och materia på nanoskala. För att sätta storleken i perspektiv så handlar det om strukturer som är ungefär 1000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå. Intressanta effekter kan dyka upp när synligt ljus växelverkar med partiklar kring dessa storlekar. Beroende på partikelns material ter sig denna växelverkan annorlunda och kan ge upphov till många användbara effekter. I forskningen som ligger till grund för denna avhandling har fokus legat på nanopartiklar gjorda av kisel vilka interagerar starkt med synligt ljus. Geometrin hos partiklarna samt deras arrangemang påverkar hur de reflekterar, sprider och absorberar ljus och medveten design av dessa kan öppna upp intressanta och användbara möjligheter. Två exempel bland många på det vi har utforskat är förhöjd absorption som potentiellt kan leda till effektivare solceller på sikt, samt optisk infångning av kiselnanopartiklar som kan hitta tillämpningar i till exempel cellbiologisk forskning.

NILS ODEBO LÄNK

Funktionella elektromagnetiska metamaterial & optisk sensing

Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF), 2012-08-01 -- 2017-09-30.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (2010-2017)

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Ämneskategorier

Atom- och molekylfysik och optik

Annan fysik

Nanoteknik

Den kondenserade materiens fysik

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

Nanotekniklaboratoriet

ISBN

978-91-7597-883-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4564

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

PJ-salen, Fysikgården 1

Opponent: Prof. Nicolas Bonod, Institut Fresnel CNRS, Aix-Marseille Université, Marseille, France

Mer information

Senast uppdaterat

2019-04-26