Mie resonance-enhanced light absorption in periodic silicon nanopillar arrays

Abstract

Mie-resonances in vertical, small aspect-ratio and subwavelength silicon nanopillars are investigated using visible bright-field µ-reflection measurements and Raman scattering. Pillar-to-pillar interactions were examined by comparing randomly to periodically arranged arrays with systematic variations in nanopillar diameter and array pitch. First- and second-order Mie resonances are observed in reflectance spectra as pronounced dips with minimum reflectances of several percent, suggesting an alternative approach to fabricating a perfect absorber. The resonant wavelengths shift approximately linearly with nanopillar diameter, which enables a simple empirical description of the resonance condition. In addition, resonances are also significantly affected by array density, with an overall oscillating blue shift as the pitch is reduced. Finite-element method and finite-difference time-domain simulations agree closely with experimental results and provide valuable insight into the nature of the dielectric resonance modes, including a surprisingly small influence of the substrate on resonance wavelength. To probe local fields within the Si nanopillars, µ-Raman scattering measurements were also conducted that confirm enhanced optical fields in the pillars when excited on-resonance.

Low-loss, infrared and terahertz nanophotonics using surface phonon polaritons

“…While the spectral range for localized plasmonic modes has been successfully pushed into the infrared using such materials, the plasmonic origin of the modes implies that they are still limited by the relatively fast electron/plasma scattering (typically on the order of 10-100 fs) [41][42][43]. On the other hand, the use of dielectric materials can dramatically reduce optical losses [44][45][46][47][48][49][50], but resonators with sub-diffraction optical confinement cannot be achieved using positive permittivity materials.…”

Спектральные Характеристики Отражения Микромассивов Кремниевых Нанопилларов-=sup=-*-=/Sup=-

“…На рис. 4 штри-ховой линией приводится теоретическая зависимость, рассчитанная из условия наблюдения резонанса Ми (Mie) для одиночного нанопиллара [8],…”

“…Кроме того, создание оптических фильтров на основе Si НП (с изменяемыми в широких пределах спектральными характеристиками) представляет интерес для обработки информации, получения цветных изображений и для создания дисплеев [6,7]. Отражательные свойства оди-ночных нанопилларов с характерной высотой и диа-метром порядка длины волны (или λ/2) часто опи-сывают, опираясь на теорию Ми [8,9]. Ми-резонансы можно точно рассчитать для сфер и цилиндров беско-нечной длины из аналитического решения уравнений Максвелла.…”

“…Кроме этого, ранее мы одни из первых отработали методику формирования упо-рядоченных массивов Si НП посредством электронно-лучевой литографии на негативном резисте с последую-щим реактивным ионным травлением [13][14][15][16]. Травление кремниевых наноструктур через маску из алюминия [5] или хрома [8] приводит к дополнительному легированию кремния. В данной работе используется маска из нега-тивного электронного резиста, и присутствие металла исключается на всех этапах формирования нанопилла-ров.…”

Fabrication and doping of silicon micropillar arrays for solar light harvesting

“…[113][114][115] For example, DRIE nanopillars showed a 1% reflection at a 40° incident angle, whereas a flat surface reflected 45% of the light. [114] In addition, various parameters have been proven to positively affect the reflectivity, such as the diameter, [116] tapering, [113,117] and height of the pillars.…”