Engineering gallium phosphide nanostructures for efficient nonlinear photonics and enhanced spectroscopies

Optical resonances arising from quasi-bound states in the continuum (QBICs) have been recently identified in nanostructured dielectrics, showing ultrahigh quality factors accompanied by very large electromagnetic field enhancements. In this work, we design a periodic array of gallium phosphide (GaP) elliptical cylinders supporting, concurrently, three spectrally separated QBIC resonances with in-plane magnetic dipole, out-of-plane magnetic dipole, and electric quadrupole characters. We numerically explore this system for second-harmonic generation and degenerate four-wave mixing, demonstrating giant per unit cell conversion efficiencies of up to ∼2 W-1 and ∼60 W-2, respectively, when considering realistic introduced asymmetries in the metasurface, compatible with current fabrication limitations. We find that this configuration outperforms by up to more than four orders of magnitude the response of low-Q Mie or anapole resonances in individual GaP nanoantennas with engineered nonlinear mode-matching conditions. Benefiting from the straight-oriented electric field of one of the examined high-Q resonances, we further propose a novel nanocavity design for enhanced spectroscopies by slotting the meta-atoms of the periodic array. We discover that the optical cavity sustains high-intensity fields homogeneously distributed inside the slot, delivering its best performance when the elliptical cylinders are cut from end to end forming a gap, which represents a convenient model for experimental investigations. When placing an electric point dipole inside the added aperture, we find that the metasurface offers ultrahigh radiative enhancements, exceeding the previously reported slotted dielectric nanodisk at the anapole excitation by more than two orders of magnitude.Fil: Moretti, Gianni Quimey. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Cortés, Emiliano. Ludwig Maximilians Universitat; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Maier, Stefan A.. Ludwig Maximilians Universitat; Alemania. Imperial College London; Reino UnidoFil: Bragas, Andrea Veronica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Non-linear excitation of polariton cavity modes in ZnO single nanocombs

Tunable second harmonic (SH) polaritons have been efficiently generated in ZnO nanocombs, when the material is excited close to half of the band-gap. The nonlinear signal couples to the nanocavity modes, and, as a result, Fabry-Pérot resonances with high Q factors of about 500 are detected. Due to the low effective volume of the confined modes, matter-light interaction is very much enhanced. This effect lowers the velocity of the SH polariton in the material by 50 times, and increases the SH confinement inside the nanocavity due to this higher refractive index. We also show that the SH phase-matching condition is achieved through LO-phonon mediation. Finally, birrefringence of the crystal produces a strong SH intensity dependence on the input polarization, with a high polarization contrast, which could be used as a mechanism for light switching in the nanoscale.Fil: Capeluto, Maria Gabriela. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Física. Laboratorio de Física del Solido; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tucumán; ArgentinaFil: Tirado, Monica Cecilia. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologia. Departamento de Fisica. Departamento de Nanomateriales y Propiedades Dielectricas; ArgentinaFil: Comedi, David Mario. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Física. Laboratorio de Física del Solido; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Tucumán; ArgentinaFil: Bragas, Andrea Veronica. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Direct Detection of Optical Forces of Magnetic Nature in Dielectric Nanoantennas

Optical forces on nanostructures are usually characterized by their interaction with the electric field component of the light wave, given that most materials present negligible magnetic response at optical frequencies. This is not the case however of a high-refractive-index dielectric nanoantenna, which has been recently shown to efficiently support both electric and magnetic optical modes. In this work, we use a photoinduced force microscopy configuration to measure optically induced forces produced by a germanium nanoantenna on a surrounding silicon near-field probe. We reveal the spatial distribution, character, and magnitude of the generated forces when exciting the nanoantenna at its anapole state condition. We retrieve optical force maps showing values of up to 20 pN, which are found to be mainly magnetic in nature, according to our numerical simulations. The results of this investigation open new pathways for the study, detection, and generation of magnetic light forces at the nanometer scale.Fil: Poblet, Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Li, Yi. Southern University Of Science And Technology; ChinaFil: Cortés, Emiliano. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Maier, Stefan A.. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Bragas, Andrea Veronica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Introducing a Symmetry-Breaking Coupler into a Dielectric Metasurface Enables Robust High-Q Quasi-BICs

Dielectric metasurfaces supporting quasibound states in the continuum (quasi-BICs) exhibit very high-quality factor resonances and electric field confinement. However, accessing the high-Q end of the quasi-BIC regime usually requires marginally distorting the metasurface design from a BIC condition, pushing the needed nanoscale fabrication precision to the limit. This work introduces a novel concept for generating high-Q quasi-BICs, which strongly relaxes this requirement by incorporating a relatively large perturbative element close to high-symmetry points of an undistorted BIC metasurface, acting as a coupler to the radiation continuum. This approach is validated by adding a ≈100 nm diameter cylinder between two reflection-symmetry points separated by a 300 nm gap in an elliptical disk metasurface unit cell, using gallium phosphide as the dielectric. It is found that high-Q resonances emerge when the cylindrical coupler is placed at any position between such symmetry points. This metasurface´s second harmonic generation capability in the optical range is further explored. Displacing the coupler as much as a full diameter from a BIC condition produces record-breaking normalized conversion efficiencies >102 W−1. The strategy of enclosing a disruptive element between multiple high-symmetry points in a BIC metasurface can be applied to construct robust high-Q quasi-BICs in many geometrical designs.Fil: Moretti, Gianni Quimey. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Tittl, Andreas. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Cortés, Emiliano. Ludwig Maximilians Universitat; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Maier, Stefan A.. Imperial College London; Reino Unido. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Bragas, Andrea Veronica. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentin

Luminescence and electrical properties of single ZnO/MgO core/shell nanowires

To neutralise the influence of the surface of ZnO nanowires for photonics and optoelectronic applications, we have covered them with insulating MgO film and individually contacted them for electrical characterisation. We show that such a metal-insulator-semiconductor-type nanodevice exhibits a high diode ideality factor of 3.4 below 1 V. MgO shell passivates ZnO surface states and provides confining barriers to electrons and holes within the ZnO core, favouring excitonic ultraviolet radiative recombination, while suppressing defect-related luminescence in the visible and improving electrical conductivity. The results indicate the potential use of ZnO/MgO nanowires as a convenient building block for nano-optoelectronic devices.Fil: Grinblat, Gustavo Sergio. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Física. Laboratorio de Física del Solido; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Bern, Francis. University of Leipzig; AlemaniaFil: Barzola Quiquia, José. University of Leipzig; AlemaniaFil: Tirado, Monica Cecilia. Universidad Nacional de Tucuman. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologia. Departamento de Fisica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Comedi, David Mario. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Física. Laboratorio de Física del Solido; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Esquinazi, Pablo. University of Leipzig; Alemani

Nanostructured amorphous gallium phosphide on silica for nonlinear and ultrafast nanophotonics

Nanophotonics based on high refractive index dielectrics relies on appreciable contrast between the indices of designed nanostructures and their immediate surrounding, which can be achieved by the growth of thin films on low-index substrates. Here we propose the use of high index amorphous gallium phosphide (a-GaP), fabricated by radio-frequency sputter deposition, on top of a low refractive index glass substrate and thoroughly examine its nanophotonic properties. Spectral ellipsometry of the amorphous material demonstrates the optical properties to be considerably close to crystalline gallium phosphide (c-GaP), with low-loss transparency for wavelengths longer than 650 nm. When nanostructured into nanopatches, the second harmonic (SH) response of an individual a-GaP patch is characterized to be more than two orders of magnitude larger than the as-deposited unstructured film, with an anapole-like resonant behavior. Numerical simulations are in good agreement with the experimental results over a large spectral and geometrical range. Furthermore, by studying individual a-GaP nanopatches through non-degenerate pump-probe spectroscopy with sub-10 fs pulses, we find a more than 5% ultrafast modulation of the reflectivity that is accompanied by a slower decaying free carrier contribution, caused by absorption. Our investigations reveal a potential for a-GaP as an adequate inexpensive and CMOS-compatible material for nonlinear nanophotonic applications as well as for photocatalysis.Fil: Tilmann, Benjamin. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Berté, Rodrigo. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Özcan, Mehmet. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Kunzelmann, Viktoria F.. Technische Universitat München; AlemaniaFil: Nickel, Bert. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Sharp, Ian D.. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Cortés, Emiliano. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Maier, Stefan A.. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Li, Yi. Southern University Of Science And Technology; Chin

Electron tunneling at the molecularly thin 2D perovskite and graphene van der Waals interface

Quasi-two-dimensional perovskites have emerged as a new material platform for optoelectronics on account of its intrinsic stability. A major bottleneck to device performance is the high charge injection barrier caused by organic molecular layers on its basal plane, thus the best performing device currently relies on edge contact. Herein, by leveraging on van der Waals coupling and energy level matching between two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite and graphene, we show that the plane-contacted perovskite and graphene interface presents a lower barrier than gold for charge injection. Electron tunneling across the interface occurs via a gate-tunable, direct tunneling-to-field emission mechanism with increasing bias, and photoinduced charge transfer occurs at femtosecond timescale (~50 fs). Field effect transistors fabricated on molecularly thin Ruddlesden-Popper perovskite using graphene contact exhibit electron mobilities ranging from 0.1 to 0.018 cm2V−1s−1 between 1.7 to 200 K. Scanning tunneling spectroscopy studies reveal layer-dependent tunneling barrier and domain size on few-layered Ruddlesden-Popper perovskite.Fil: Leng, Kai. National University Of Singapore; SingapurFil: Wang, Lin. National University Of Singapore; SingapurFil: Shao, Yan. National University Of Singapore; SingapurFil: Abdelwahab, Ibrahim. National University Of Singapore; SingapurFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Imperial College London; Reino Unido. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Verzhbitskiy, Ivan. National University Of Singapore; SingapurFil: Li, Runlai. National University Of Singapore; SingapurFil: Cai, Yongqing. University Of Macau; ChinaFil: Chi, Xiao. National University Of Singapore; SingapurFil: Fu, Wei. National University Of Singapore; SingapurFil: Song, Peng. National University Of Singapore; SingapurFil: Rusydi, Andrivo. National University Of Singapore; SingapurFil: Eda, Goki. National University Of Singapore; SingapurFil: Maier, Stefan A.. Ludwig Maximilians Universitat; AlemaniaFil: Loh, Kian Ping. National University Of Singapore; Singapu

Nonlinear Dielectric Nanoantennas and Metasurfaces: Frequency Conversion and Wavefront Control

High-index dielectric nanostructures can support optical resonances of electric and magnetic character with ultralow linear absorption. In contrast to plasmonics, they can be engineered to confine electromagnetic fields inside the resonator, amplifying intrinsic nonlinearities of the dielectric. In this Review I examine the ability of dielectric nanoantennas and metasurfaces for efficient harmonic generation and wave-mixing processes, as well as nonlinear wavefront manipulation of the incident and radiated light. A detailed comparison is made between the many nanoscopic dielectric configurations reported in the literature, evaluating the influence of the material, crystal symmetry, structure geometry, and the different resonances involved (electric and magnetic Mie modes, Fano resonances, and quasi-nonradiative states, including anapoles and quasi-bound states in the continuum). The nonlinear performance of the nanosystems is analyzed, with emphasis on frequency conversion efficiency and emission directionality control, also discussing recent advances in nonlinear imaging, nonlinear holography, and all-optical switching. The role of topology in nonlinear nanophotonics is reviewed in the end, and potential future directions in the field are laid out.Fil: Grinblat, Gustavo Sergio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentin

Semiconductor ZnO nanostructures; assembly, study and optimization of their linear and non-linear optical properties

Las nanoestructuras de semiconductores exhiben propiedades novedosas e interesantes que no se observan en materiales de dimensiones micrométricas o mayores, y resultan de gran importancia para el desarrollo y mejoramiento de numerosos dispositivos electrónicos, fotónicos, y optoelectrónicos, así como también para la investigación de física fundamental. Cambios en la morfología y tamaño de una nanoestructura o alteraciones en el contorno superficial afectan drásticamente sus propiedades, dando lugar a nuevas variables de control ausentes en la escala macroscópica. El ZnO, en particular, es un semiconductor de banda prohibida directa en el rango ultravioleta con características prometedoras únicas (como su elevada energía de ligadura excitónica, alta movilidad de electrones, y alta susceptibilidad no lineal, entre otras) y que presenta facilidad para su crecimiento en forma de nanoestructura. Esta tesis se enfoca en la fabricación de nanoestructuras semiconductoras de ZnO y en el estudio y optimización de sus propiedades ópticas lineales y no lineales para futuras aplicaciones.A través de una técnica de transporte de vapor en un horno tubular horizontal, se fabricaron nanoestructuras de ZnO en presencia de flujos controlados de Ar y O2. Se emplearon diferentes tipos de sustratos (Si, Si/SiO2, sílice fundida, y fibras de carbono), algunos de ellos recubiertos con nanopartículas de Au, que catalizan la formación de ZnO nanoestructurado. Se discuten los mecanismos de crecimiento a través de análisis por microscopía electrónica de barrido y de transmisión, difracción de rayos X, y espectroscopia de energía dispersiva de rayos X. Se observó que el patrón de crecimiento cambia hacia estructuras de menor superficie específica (SA) al disminuir la presión parcial de O2 respecto de la de Zn, obteniéndose nanoobjetos en forma de hilos, peines, hojas y erizos. A través de mediciones de fotoluminiscencia, se encontró una notable correlación entre el cociente de intensidades de emisión excitónica (ultravioleta) y de defectos (visible) [IUV/IVIS] y SA, independiente de la forma de la nanoestructura, que se describe a través de un modelo simple. Los resultados indican que la deficiencia de O es responsable de la luminiscencia visible, que los defectos se ubican sobre la superficie de la nanoestructura, y que los cambios de morfología mantienen constante la densidad superficial de defectos.En una segunda etapa de fabricación, se recubrieron muestras de nanohilos de ZnO con una delgada película de MgO (sólido de ancho de banda mucho mayor al de ZnO), formando nanohilos núcleo/corteza (ZnO/MgO). Se estudió el rol de la corteza y la influencia de la interdifusión entre óxidos (en la interfaz de la heteroestructura) en propiedades fotónicas y optoeléctricas del núcleo. Se presentan condiciones de deposición que demuestran una excelente pasivación de defectos superficiales del núcleo de ZnO, además del confinamiento de portadores dentro del semiconductor. Se obtuvo un aumento de IUV/IVIS de más de 2 órdenes de magnitud en el rango de temperaturas de 10-300 K, acompañado de una fuerte reducción de la extinción térmica de la fotoluminiscencia. Empleando un modelo de recombinación semi-cuantitativo, esto último es interpretado como una disminución del cociente de tiempos de decaimiento radiativo y no radiativo, indicando un aumento en la eficiencia de emisión. A través de mediciones de fotoconductividad en nanohilos individuales de ZnO y ZnO/MgO, contactados mediante litografía electrónica, se descubrió para el segundo un amplio incremento en la conductividad respecto del primero, demostrándose la eficaz neutralización de trampas de portadores que restringen el paso de la corriente eléctrica. Se encontró que estos efectos beneficiosos se inhiben parcialmente si se promueve la interdifusión entre óxidos al aumentar la temperatura de crecimiento de MgO por encima de 700 °C, o si el espesor de la corteza se encuentra por debajo de 15 nm, resultando éstos parámetros críticos para la optimización de aplicaciones.El estudio de propiedades ópticas no lineales de nanoobjetos de ZnO se realizó mediante mediciones de fotoluminiscencia por absorción de 2 fotones y generación de segunda armónica (GSA), empleando energías de excitación cercanas a la mitad del ancho de banda. Comparando la respuesta óptica en el ultravioleta a nivel de nanoobjeto individual, entre las distintas nanoestructuras basadas en hilos (nanohilos, nanopeines, y nanoerizos), se evidenció un mayor confinamiento de la luz para el caso de nanopeines, en virtud de su geometría de cavidades paralelas y alta calidad cristalina. Para éstos, se midieron modos resonantes tipo Fabry-Pérot de alto factor de calidad, cuya periodicidad indica una velocidad del polaritón de hasta 50 veces menor a la de fotones no interactuantes, reflejando una fuerte interacción de la luz con la materia. Se halló que la intensidad de emisión de segunda armónica presenta una marcada dependencia con la energía de la excitación y la polarización incidente, producto de la birrefringencia del cristal, la morfología del nanoobjeto, y la condición de coincidencia de fases. En particular, se determinó que esta última se satisface a través de la interacción de los polaritones de carácter excitónico producidos con fonones LO.Con el propósito de maximizar la eficiencia de la GSA en la nanoescala en el régimen sub-50 nm, se combinaron convenientemente, a nivel individual, nanohilos de ZnO con nanoantenas plasmónicas de Au, fabricadas mediante litografía electrónica, de manera de enfocar el campo de excitación directamente sobre la nanoestructura semiconductora. Se demuestra que el sistema híbrido exhibe una muy alta eficiencia de conversión de segunda armónica de 3E-5%, a través de un aumento de 1700 veces en la emisión respecto del nanohilo excitado sin el resonador. Se encontró que la intensidad de segunda armónica de la nanoestructura acoplada varía con la energía de la excitación siguiendo el perfil de la segunda armónica generada por la nanoantena aislada. Los resultados se encuentran en muy buen acuerdo con simulaciones realizadas mediante el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). El control del acoplamiento fotónico-plasmónico en nano-sistemas individuales semiconductor/metal para aumentar la emisión de segunda armónica, abre nuevas perspectivas para la conversión de luz con alta eficiencia en la escala nanométrica en el rango de frecuencias ópticas.This thesis focuses on the fabrication of ZnO nanostructures, and on the study and optimization of their linear and non-linear optical properties for potential future applications. ZnO nanostructure samples were fabricated through a vapor transport method, under controlled Ar/O2 flows, over different types of substrates. Growth mechanisms are analyzed through SEM, TEM, XRD, and EDS techniques. The growth pattern was found to change towards structures with lower specific surface area (SA) when diminishing the O2/Zn partial pressure ratio, leading to nanoobjects with different morphologies, such as nanowires (NWs), nanocombs (NCs), nanosheets (NSs), and nanohedgehogs (NHs). We observe a remarkable correlation between the exciton (UV) to defect (visible) photoluminescence (PL) intensity ratio (IUV./IVIS) and SA, which does not depend on the nanostructure shape. The results indicate that O deficiency defects are responsible for the visible emission, and locate over the nanostructure surface with constant density for all morphologies. In a second fabrication stage, ZnO NWs were covered with a MgO (large band-gap solid) thin film, leading to core/shell NWs. The role of the MgO shell, as well as the influence of metal interdiffusion in photonic and optoelectrical properties are investigated. We present MgO deposition conditions that yield to a successful passivation of surface defect states and photocarrier confinement within the semiconductor; enhancing IUV./IVIS by more than two orders of magnitude in the 10-300 K temperature range, and strongly depressing the PL thermal quenching. Results are interpreted as a strong radiative to non-radiative recombination lifetimes ratio reduction, indicating an increased emission efficiency. Through photoconductivity measurements on individual NWs, the core/shell was found to exhibit highly enhanced conductivity compared to bare ZnO NW, demonstrating the effective neutralization of carrier traps, which limit the electrical transport. When the MgO deposition is carried out under conditions favouring interdiffusion, or when the shell width is below 15 nm, these beneficial effects are partially inhibited, making these parameters highly critical for the optimization of applications. The non-linear optical characterization of ZnO nanostructures was performed by exciting the system close to half of the band-gap and analyzing the emission. By comparing the UV optical response from the different NW-based nanostructures (NWs, NCs, NHs) at the individual level, a stronger light confinement was found for the NCs, by virtue of their particular geometry and high crystalline quality. Large Q factor Fabry-Pérot resonances were observed for single NCs, due to the efficient coupling of the emission to the nanocavity modes. The velocity of the confined UV polariton was found to be reduced by up to 50 times (with respect to non-interacting photons), evidencing great light-mater interaction. It is demonstrated that the SHG (second harmonic generation) phase-matching condition is achieved through LO phonon mediation, and that birrefringence of the crystal produces a strong SH intensity dependence on the input polarization, with a high polarization contrast, which could be used as a mechanism for light switching in the nanoscale. With the aim of maximizing SH conversion efficiency in the sub-50 nm regime, we conveniently combined a single ZnO NW with a Au plasmonic nanoantenna, in order to highly confine the excitation field directly over the semiconductor nanostructure. It is demonstrated that the hybrid nanosystem exhibits a very large SH conversion efficiency of ~3x10-5%, through a 1700 times SH emission enhancement (with respect to the bare NW). The experimental results are contrasted with finite-difference time-domine (FDTD) numerical simulations, showing very good agreement. Controlling plasmonic-photonic coupling in metal-semiconductor individual nanostructures to enhance SHG, opens new perspectives for highly efficient light up-conversion on the nanoscale at optical frequencies.Fil: Grinblat, Gustavo Sergio. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Tucumán; Argentin

Nonmonotonic excitation power dependence of the UV photoluminescence rate from large ZnO nanoparticle assemblies

The photoluminescence from solid-state ZnO nanoparticles (NPs) assemblies was studied as a function of the number on NPs in the assembly. With increasing number of NPs, the UV emission band broadened and redshifted, while the UV/visible emission rate ratio decreased. Furthermore, while samples with few NPs displayed a typical linear dependence for the UV emission rate as a function of the excitation power, samples with large number of deposited NPs showed unusual non-linear, nonmonotonic dependences with maxima at intermediate excitation powers. Also, for samples with large number of NPs, the UV band became broader as the excitation power was increased. These unusual results can be understood by considering the interplay between photon self-absorption effects, interface trap states between NPs and illumination power dependent potential barriers at NP/NP interfaces. The exposure of samples with large number of NPs to ethanol vapor during the photoluminescence measurements resulted in partial removal of the non-monotonic behavior of the UV emission rate dependence on excitation power.Fil: Marín Ramírez, Oscar Alonso. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Laboratorio de Física del Sólido; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto de Física del Noroeste Argentino. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet Noa Sur. Instituto de Física del Noroeste Argentino; ArgentinaFil: Grinblat, Gustavo Sergio. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Tirado, Monica Cecilia. Universidad Nacional de Tucumán; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto de Física del Noroeste Argentino. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet Noa Sur. Instituto de Física del Noroeste Argentino; ArgentinaFil: Comedi, David Mario. Universidad Nacional de Tucumán. Instituto de Física del Noroeste Argentino. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet Noa Sur. Instituto de Física del Noroeste Argentino; Argentina. Universidad Nacional de Tucumán. Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología. Laboratorio de Física del Sólido; Argentin