Metasurface Enhanced Sensitized Photon Upconversion: Toward Highly Efficient Low Power Upconversion Applications and Nanoscale E-Field Sensors

  • Large-scale nanoimprinted metasurfaces based on silicon photonic crystal slabs were produced and coated with a NaYF4:Yb3+/Er3+ upconversion nanoparticle (UCNP) layer. UCNPs on these metasurfaces yield a more than 500-fold enhanced upconversion emission compared to UCNPs on planar surfaces. It is also demonstrated how the optical response of the UCNPs can be used to estimate the local field energy in the coating layer. Optical simulations using the finite element method validate the experimental results and the calculated spatial three-dimensional field Energy distribution helps us to understand the emission enhancement mechanism of the UCNPs closely attached to the metasurface. In addition, we analyzed the spectral shifts of the resonances for uncoated and coated metasurfaces and metasurfaces submerged in water to enable a prediction of the optimum layer thicknesses for different excitation wavelengths, paving the way to applications such as electromagnetic field sensors or bioassays.

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Autoren/innen:Christian Würth, P. Manley, R. Voigt, D. Ahiboz, C. Becker, Ute Resch-Genger
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Nano Letters
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien
1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien / 1.2 Biophotonik
Verlag:ACS Publications
Erste Seite:6682
Letzte Seite:6689
DDC-Klassifikation:Naturwissenschaften und Mathematik / Chemie / Analytische Chemie
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Emission enhancement; Field sensor; Metasurface; Nanoparticles; Photonic crystal; Upconversion
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Analytical Sciences
Analytical Sciences / Sensorik
Material / Nano@BAM
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei im Netzwerk der BAM verfügbar ("Closed Access")
Datum der Freischaltung:14.10.2020
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:14.10.2020