Enhanced Photon Upconversion by Silicon Metasurfaces

Abstract

Photon upconversion is a non-linear process where multiple photons are absorbed, and a single photon with higher energy than the incident ones is emitted. This process is often achieved by lanthanide ions, such as Erbium ions which are generally embedded in optical inert crystals like Sodium-Yttrium-(tetra) Fluoride. The ability of the Erbium ions to covert the near-infrared photons into shorter infrared, visible and ultraviolet wavelengths opens up many applications such as life sciences and photovoltaics. The efficiency of the photon upconversion through Erbium ions strongly depends on Erbium ion’s ability to absorb near-infrared photons. Unfortunately, Erbium, like any other lanthanide group element, is not an efficient near-infrared absorber. Their small absorption cross-section requires intense laser excitation power densities to obtain considerable upconversion luminescence. This requirement limits its applicability for practical applications. In this thesis, an approach to enhance photon upconversion of the Erbium-doped and Erbium - Ytterbium co-doped Sodium-Yttrium-(tetra)Fluoride upconversion nanoparticles is studied by harvesting strongly enhanced near-fields on silicon metasurfaces. The aim is to reduce the required external excitation power densites for efficient photon upconversion luminescence and to gain a better understanding of resonant phenomena on silicon metasurfaces. To fulfil this aim, the resonant phonemonon on Silicon metasurface resulting strong near fields and photo-physical dynamics of the upconversion nanoparticles are meticulously investigated by experimental and theoretical methods. As an upconversion enhancing platform, large area (25 cm2) silicon mono- and double-layer metasurfaces with hexagonal lattice are produced by a nanoimprinting lithography based method. The resonant phenomena on silicon metasurfaces, such as leaky modes and bound states in continuum on silicon metasurfaces are probed by optical spectroscopy and aided with finite difference element simulations. In the light of the numerical calculations, the spectral position of the leaky modes of silicon metasurface is engineered by a single and simple production parameter;silicon metasurface thickness. The excitation power density-dependent upconversion dynamics of the upconversion nanoparticles in solution are examined. The results on excitation power density dependent measurements shed on light electonic transition dynamics and luminescence quenching processes. By placing the upconversion nanoparticles on the silicon metasurface and variation of the incident angle, the effect of the 1550 nm light coupling with leaky metasurface modes on upconversion luminescence is in- vestigated. The efficient coupling results in more than 2000-fold enhanced photon upconversion emission on silicon metasurfaces when it is compared with the emission of upconversion nanoparticles on a planar silicon surface. Moreover, upconversion of Erbium-Ytterbium co-doped upconversion nanoparticles in polymer matrix is studied. The upconversion of the polymer-upconversion nanoparticle layer are investigated with 980 nm laser excitation. The enhanced photon upcoversion on metasurface more than 1000-fold is observed under 980 nm excitation. These results pave the way to achieve efficient upconversion luminescence even at low excitation power densities inspiring applications in the fields of biophotonics and photovoltaics.

Die Photonen - Hochkonversion ist ein nichtlinearer Prozess, bei dem mehrere Photonen absorbiert und ein einzelnes Photon mit höherer Energie als die einfallenden emittiert wird. Dieser Prozess wird häufig durch Lanthanid-Ionen wie Erbium erreicht. Erbium-Ionen sind in der Regel in optisch inerte Kristalle wie Natrium-Yttrium-(tetra)-fluorid eingebettet. Die Fähigkeit der Erbium-Ionen, die Photonen des nahen Infrarots in kürzere infrarote, sichtbare und ultraviolette Wellenlängen umzuwandeln, eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten, z. B. in den Biowissenschaften und der Photovoltaik. Die Effizienz der Photonenumwandlung durch Erbium-Ionen hängt stark von der Fähigkeit der Erbium-Ionen ab, Photonen im nahen Infrarot zu absorbieren. Leider ist Erbium, wie jedes andere Element der Lanthanidengruppe, kein effizienter Nahinfrarot-Absorber. Ihr geringer Absorptionsquerschnitt erfordert hohe Laseranregungsleistungsdichten, um eine beträchtliche Hochkonversion - Lumineszenz zu erzielen. Dies schränkt ihre Eignung für praktische Anwendungen ein. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Verstärkung der Photonen - Hochkonversion von Erbium -dotierten und Erbium - Ytterbium - codotierten Natrium -Yttrium-(tetra)fluorid - Nanopartikeln untersucht, indem stark verstärkte Nahfelder auf Silizium - Metaoberflächen genutzt werden. Ziel ist es, die erforderlichen externen Anregungsleistungsdichten für eine effiziente Photonen - Hochkonversion - Lumineszenz zu reduzieren und ein besseres Verständnis der Resonanzphänomene auf Silizium - Metaseiten zu erlangen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden das resonante Phänomen auf der Silizium - Metasurface, das zu starken Nahfeldern führt, und die photophysikalische Dynamik der Upconversion - Nanopartikel mit experimentellen und theoretischen Methoden eingehend untersucht. Als Plattform zur Verstärkung der Hochkonversion werden großflächige (25 cm2) ein - und zweischichtige Silizium - Metasurfaces mit hexagonalem Gitter durch eine auf Nanoimprint - Lithographie basierende Methode hergestellt. Die Resonanzphänomene auf Silizium - Metasurfaces, wie z.B. Leaky Moden und gebundene Zustände im Kontinuum auf Silizium - Metasurfaces, werden durch optische Spektroskopie und mit Hilfe von Finite-Differenzen - Element - Simulationen erforscht. Gemäß der numerischen Berechnungen wird die spektrale Position der Leaky Moden der Silizium - Metasurface durch einen einzigen und einfachen Produktionsparameter bestimmt: die Dicke der Silizium - Metasurface. Die von der Anregungsleistungsdichte abhängige Hochkonversion - Dynamik der Hochkonversion-Nanopartikel in Lösung wird untersucht. Die Ergebnisse der von der Anregungsleistungsdichte abhängigen Messungen geben Aufschluss über die Dynamik des elektonischen Übergangs von Licht und die Lumineszenzlöschungsprozesse. Durch die Platzierung der Hochkonversion - Nanopartikel auf der Silizium - Metasurface und die Variation des Einfallswinkels wird die Auswirkung der 1550 nm - Lichtkopplung mit undichten Metasurface - Moden auf die Hochkonversion - Lumineszenz untersucht. Die effiziente Kopplung führt zu einer mehr als 2000 - fach erhöhten Photonenemission auf Silizium - Metasurface im Vergleich zur Emission von Nanopartikeln auf einer planaren Siliziumoberfläche. Außerdem wird die Hochkonversion von Erbium - Ytterbium - codotierten Hoch- konversions - Nanopartikeln in einer Polymermatrix untersucht. Die Uptransformation der Polymer - Uptransformations - Nanopartikelschicht wird mit einer Laseranregung bei 980 nm untersucht. Unter 980 nm - Anregung wird eine mehr als 1000 - fache Steigerung der Photonen-Upscoversion auf der Metasurface beobachtet. Diese Ergebnisse ebnen den Weg zu einer effizienten Hochkonversionslumineszenz auch bei niedrigen Anregungsleistungsdichten, die zu Anwendungen in den Bereichen der Biophotonik und Photovoltaik inspirieren.