Harnessing scalable chiral nanophotonics towards circularly polarized emission applications

Abstract

Els avenços en nanotecnologia han introduït mètodes innovadors per estudiar les propietats dels materials, utilitzant la llum com a eina clau. La polarització, en particular, revela detalls estructurals, fent essencial el seu control precís. Les fonts de llum miniaturitzades amb polarització ajustable són fonamentals per a la caracterització in situ. La llum polaritzada circularment es pot controlar mitjançant xarxes de nanoantenes quirals, una alternativa compacta als sistemes òptics voluminosos. Les metasuperfícies quirals, fabricades amb mètodes d'alta resolució com la litografia amb feix d'electrons o d'ions focalitzats, són efectives però costoses i lentes, cosa que en limita l’escalabilitat industrial.

La litografia per nanoimpressió (NIL) sorgeix com una alternativa rendible per fabricar metasuperfícies de gran àrea, sent compatible amb processos industrials roll2roll. Tot i que la NIL ha tingut èxit en aplicacions optoelectròniques, la seva implementació per a metasuperfícies quirals a gran escala encara és limitada. Aquesta tesi presenta la integració pionera de NIL no convencional per fabricar metasuperfícies quirals de gran àrea. Aquestes metasuperfícies confereixen propietats quirals als nanomaterials emissors de llum dipositats sobre elles, acoblant els processos d’emissió als modes col·lectius quirals sostinguts per xarxes quirals 2D.

Primer, vam nanoimprimir emissors aquirals en patrons quirals de gammadió. Això demostra que els emissors aquirals produeixen llum polaritzada circularment quan s’organitzen en arquitectures quirals, assolint una emissió disimètrica circular (glum) de 0,15, millorant en dos ordres de magnitud els mètodes químics. També s’observa la inversió de polarització característica de les metasuperfícies quirals 2D, canviant l’emissió entre semiespais. Amb l’addició d’una capa de TiO2, es duplica la disimetria (glum 0,3) mitjançant ressonàncies col·lectives.

En segon lloc, vam desacoblar els emissors de la metasuperfície per analitzar el paper de les ressonàncies de xarxa quirals en emissions polaritzades circularment. Quan les bandes d’emissió i la resposta quiroòptica es superposen, el glum arriba a 0,56 en nanocristalls de perovskita verds. Diversos recobriments funcionals (TiO2, Si i Au) ajusten la resposta quiroòptica en l’espectre visible. De manera experimental i computacional, vam investigar l’origen de la disimetria basada en absorció i dispersió per a recobriments dielèctrics (TiO2) i plasmònics (Au). Proposem una arquitectura híbrida amb una metasuperfície de doble impressió per emissions quirals simultànies en dues longituds d’ona.

En tercer lloc, vam introduir una xarxa de triskelió hexagonal, una nova estructura quiral que suporta diverses ressonàncies de xarxa en l’espectre visible. Vam provar materials emissors aquirals en aquestes metasuperfícies, assolint glum >0,5 en un ampli rang gràcies a l’acoblament amb modes difractius. Proposem una solució de "mescla blanca" que combina materials emissors blaus (nanoplàques de CdSe/CdS), verds (perovskites CsPbBr3) i vermells (punts quàntics de CdSe/CdS) per a aplicacions de llum quiral blanca.

Finalment, vam investigar en profunditat aquesta nova metasuperfície quiral. Vam caracteritzar experimentalment i computacionalment la dispersió angular de les ressonàncies, examinant els orígens de la resposta quiral en polarització lineal i circular. Aprofitant la quiralitat extrínseca, vam assolir emissions de polarització circular ajustables en diferents direccions espacials des d’una metasuperfície estàtica. Amb densitats de potència d’excitació més elevades, també vam demostrar emissió làser polaritzada circularment d’alta puresa (glum >1,9), ajustable mitjançant recobriment de TiO2.

Los avances en nanotecnología han introducido métodos innovadores para estudiar las propiedades de los materiales, con la luz como herramienta clave. La polarización, en particular, revela detalles estructurales, haciendo esencial su control preciso. Las fuentes de luz miniaturizadas con polarización ajustable son fundamentales para la caracterización in situ. La luz polarizada circularmente puede controlarse mediante arreglos de nanoantenas quirales, alternativas compactas a los sistemas ópticos voluminosos. Las metasuperficies quirales, fabricadas con métodos de alta resolución como la litografía por haz de electrones o haz de iones focalizados, son efectivas pero costosas y lentas, lo que limita su escalabilidad industrial. La litografía por nanoimpresión (NIL) surge como una alternativa rentable para fabricar metasuperficies de gran área, siendo compatible con procesos industriales roll2roll. Aunque la NIL ha tenido éxito en aplicaciones optoelectrónicas, su implementación para metasuperficies quirales a gran escala sigue siendo limitada. Esta tesis presenta la integración pionera de la NIL no convencional para fabricar metasuperficies quirales de gran área. Estas metasuperficies confieren propiedades quirales a los nanomateriales emisores de luz depositados sobre ellas, acoplando los procesos de emisión a los modos colectivos quirales sostenidos por arreglos quirales 2D. Primero, nanoimprimimos emisores aquirales en patrones quirales de gammadión. Esto demuestra que emisores aquirales producen luz polarizada circularmente al organizarse en arquitecturas quirales, logrando una emisión disimétrica circular (glum) de 0.15, mejorando en dos órdenes de magnitud los métodos químicos. También se observa inversión de polarización característica de metasuperficies quirales 2D, cambiando la emisión entre semiespacios. Añadiendo una capa de TiO2, se duplica la disimetría (glum 0.3) mediante resonancias colectivas. En segundo lugar, desacoplamos los emisores de la metasuperficie para analizar el rol de las resonancias de red quirales en emisiones polarizadas circularmente. Cuando las bandas de emisión y la respuesta quiroóptica se superponen, el glum alcanza un valor de 0.56 en nanocristales de perovskita verdes. Diversos recubrimientos funcionales (TiO2, Si y Au) ajustan la respuesta quiroóptica en el espectro visible. Experimental y computacionalmente, investigamos el origen de la disimetría basada en absorción y dispersión para recubrimientos dieléctricos (TiO2) y plasmónicos (Au). Proponemos una arquitectura híbrida con una metasuperficie de doble impresión para emisiones quirales simultáneas en dos longitudes de onda. En tercer lugar, introducimos un arreglo de triskelión hexagonal, una nueva estructura quiral que soporta varias resonancias de red en el espectro visible. Probamos materiales emisores aquirales en estas metasuperficies, logrando glum >0.5 en un rango amplio al acoplarse con modos difractivos. Proponemos una solución de "mezcla blanca" que combina materiales emisores azules (nanoplacas de CdSe/CdS), verdes (perovskitas CsPbBr3) y rojos (puntos cuánticos de CdSe/CdS) para aplicaciones de luz quiral blanca. Finalmente, investigamos en profundidad esta nueva metasuperficie quiral. Caracterizamos experimental y computacionalmente la dispersión angular de las resonancias, examinando los orígenes de la respuesta quiral en polarización lineal y circular. Aprovechando la quiralidad extrínseca, logramos emisiones de polarización circular ajustables en diferentes direcciones espaciales desde una metasuperficie estática. Con mayores densidades de potencia de excitación, demostramos también emisión láser polarizada circularmente de alta pureza (glum >1.9), ajustable mediante recubrimiento de TiO2.

Advancements in nanotechnology fabrication have introduced new methods for studying material properties, often using either directly or indirectly light as a key tool. The polarization state of light, in particular, reveals structural and compositional details, making precise polarization control essential. In situ characterization requires miniaturized light sources with controllable polarization. For circularly polarized light, chiral nanoantenna arrays effectively control both polarization and radiation patterns. Unlike bulky optics, chiral metasurfaces offer a compact solution for electromagnetic control. However, while they can be produced with high-resolution techniques like electron beam or focused ion beam lithography, these methods are costly and slow, limiting large-scale, cost-effective production for industrial applications. Alternatively, Nanoimprint lithography (NIL) is a great candidate for the production of large-area metasurfaces. NIL, compatible with industrial roll2roll fabrication methods, has proved excellent results in metasurface nanofabrication implemented in optoelectronic devices. However, the implementation of NIL into the production of large-area chiral metasurfaces remains yet elusive. In this thesis, we propose the pioneering combination of unconventional Nanoimprint lithography for the nanofabrication of large-area chiral metasurfaces. These metasurfaces endow chiral properties to light-emitting nanomaterials deposited on top, coupling the emission processes to the chiral collective modes sustained by the 2D-chiral arrays.

First, we initiate the experimental phase of this thesis by nanoimprinting achiral emitters into chiral gammadion patterns. This process demonstrates that achiral emitters produce circularly polarized light when arranged directly in chiral architectures. This effect is tested for two different perovskite inks, achieving a dissymmetric circular emission glum of 0.15, a two-order-of-magnitude improvement compared to chemical methods. Additionally, we experimentally demonstrate the polarization inversion characteristic of 2D-chiral metasurfaces, with preferential emission switching across emitted half-spaces. Moreover, we show an enhanced out-coupling efficiency through the addition of a TiO2 layer, which doubled the circular emission dissymmetry (0.3) via collective resonances. Second, we decouple the emitters from the metasurface and examine the role of chiral lattice resonances in producing circularly polarized emissions. We analyze the dependence of glum when overlapping the emission band and the metasurface's chiroptical response. When these overlap, experimental glum values reached up to 0.56 for green perovskite nanocrystals. We test various functional coatings (TiO2, Si, and Au) on gammadion metasurfaces to spectrally adjust the chiroptical response across the visible spectrum. We further examine the origins of chiral dissymmetry based on absorption and scattering, experimentally and computationally for dielectric (TiO2) and plasmonic (Au) coatings. Finally, we propose a hybrid architecture with a double-imprinted metasurface to enable experimental simultaneous chiral emission at two different wavelengths.

Third, we introduce the hexagonal triskelion array, a new chiral structure capable of sustaining lattice resonances across the visible spectrum. Building on previous work, we test various achiral emitting materials on these metasurfaces to impart chiral emissive properties. By utilizing materials of different compositions and characteristics, we demonstrate the versatility of this approach, achieving glum >0.5 across a broadband range when coupled with diffractive modes. We then propose a "white mixture" solution combining blue (CdSe/CdS nanoplatelets), green (CsPbBr3 perovskites), and red (CdSe/CdS quantum dots) emissive materials for potential white chiral light applications.

In the fourth and last part of this thesis, we conduct an in-depth investigation of this new chiral metasurface. For this structure, we experimentally and computationally characterize the resonances' angular dispersion, examining the origins of the chiral response in both linear and circular polarization space. Benefitting from extrinsic chirality, we achieve tunable circular polarization emission in different spatial directions, obtaining adaptable emissions from a static metasurface. We conclude this chapter by examining the metasurface response under higher excitation power densities, demonstrating high-purity circularly polarized lasing emission with a glum > 1.9, which was tunable via the TiO2 coating.