Programmable nanophotonics with the plasmonic phase-change material In₃SbTe₂

Conrads, Lukas; Taubner, Thomas; Wuttig, Matthias

doi:10.18154/RWTH-2026-08291

Programmable nanophotonics with the plasmonic phase-change material In₃SbTe₂

Conrads, Lukas^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Conrads, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Taubner, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-09-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-08291
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1040992/files/1040992.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Metaoberfläche (frei) ; Phasenwechselmaterial (frei) ; Polaritonen (frei) ; metasurface (frei) ; optical programming (frei) ; optisches Programmieren (frei) ; phase-change material (frei) ; polaritons (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Konventionelle infrarote Optiken im Vergleich zu Optiken im sichtbaren Spektralbereich sind sperrig, teuer und lassen sich nicht an spezifische Anwendungsbereiche anpassen. In den letzten Jahren haben sich Metaoberflächen bestehend aus komplex angeordneten metallischen oder dielektrischen Nanoantennen als praktische Plattform für die Miniaturisierung und sogar die Realisierung maßgeschneiderter Funktionalitäten etabliert. Metaoberflächen basieren auf abrupten Änderungen der Amplitude, Phase und/oder Polarisation des gestreuten Lichtes. Jedoch benötigt die Herstellung solcher optischen Metaoberflächen aufwändige und zeitintensive Verfahren wie Elektronenstrahllithographie oder Ätzprozesse. Phasenwechselmaterialien (PCMs), die einen hohen Brechnungsindexkontrast zwischen zwei unterschiedliche Phasen aufweisen, wurden ursprünglich für nicht-flüchtige Datenspeichertechnologien eingesetzt. In Kombination mit Metaoberflächen ermöglichen diese PCMs das Verschieben von Resonanzen der Nanoantennen basierend auf der Änderung im Brechungsindex. Zudem wurden sie für das direkte Schreiben von Metaoberflächen eingesetzt. Kürzlich wurde das plasmonische PCM In$_3$SbTe$_2$ (IST) in die Nanophotonik eingeführt, welches im gesamten infraroten Spektralbereich von einer dielektrischen amorphen Phase in eine metallische kristalline Phase wechseln kann. Dieses Verhalten wurde für die nicht-flüchtige Resonanzverschiebung von Nanoantennen benutzt, indem die Größe und Form der Antennen selbst mit präzisen Laserpulsen umgestaltet wurden. Das Ziel dieser Arbeit ist das Etablieren von IST für vielfältige nanophotonische Anwendungen. Es werden die Herstellung und Untersuchung sowohl von funktionalen Metaoberflächen für thermische Emission und zur Strahlformung gezeigt, als auch Optiken zur Anregung und Lokalisierung von Polaritonen. Polaritonen beschreiben Licht gekoppelt an Ladungsschwingung in Materie, die eine starke Feldlokalisierung weit unterhalb des Beugungslimits ermöglichen. Zuerst werden Metaoberflächen zur Beeinflussung der Emissivität vorgestellt, die aus optisch programmierten kristallinen IST Gittern bestehen. Die Resonanzwellenlänge dieser Gitter wird von 6 µm auf 14 µm durch eine Vergößerung der Gitterstegbreite verschoben. Infrarotbilder werden mit einem hyperspektralen Detektor abgebildet, und die Polarisationsabhängigkeit wird genutzt, um zwei verschiedene Bilder innerhalb der gleichen Metaoberfläche zu kodieren. Darüber hinaus zeigt ein schmalbandiger diffuser Emitter auf Basis eines Fabry-Perot Resonators mit IST auf der Oberseite eine spektrale Bandbreite von 1 µm bei einer Resonanzwellenlänge von 9,5 µm. Die schaltbare IST-Schicht ermöglicht das Ausschalten der Emissivität der untersuchten Probe. Anschließend wird die Infrarot-Strahlformung mit zirkular polarisiertem Licht und Metaoberflächen basierend auf der geometrischen Phase untersucht, die aus rotierten IST-Stabantennen bestehen. Eine Vielzahl von Funktionen, wie Strahlablenkung, Fokussierung und Holographie werden demonstriert. Schließlich wird IST mit dem polaren Kristall SiC, der Oberflächen-Phonon-Polaritonen ermöglicht, kombiniert, um Polaritonen anzuregen und zu lokalisieren. Durch optisches Programmieren werden zirkulare Resonatoren hergestellt und in ihrer Größe verkleinert, um eine Feldlokalisierung von $\lambda/36$ zu erreichen. Abschließend wird die Lokalisierung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) auf dotierten Halbleitern mit Hilfe von dünnen dielektrischen PCM Schichten erhöht, sodass der Nachweis von infraroten SPPs gelingt, die sonst nur auf 2D Materialien im infraroten Spektralbereich nachgewiesen wurden. Die Möglichkeit direkt beliebige Nanostrukturen mit IST zu programmieren, könnte bereits etablierte Herstellungsmethoden ersetzen und das Forschungsgebiet der aktiven Nanophotonik durch das schnelle Herstellen von funktionalen Metaoberflächen und Polaritonen Optiken vorantreiben.

Conventional infrared optics compared to visible optics are bulky, expensive and mostly lack customization for specific application areas. In recent years, metasurfaces consisting of sophisticatedly arranged metallic or dielectric nanoantennas emerged as a convenient platform for miniaturization of optical components and even realization of customized functionalities based on abrupt changes in amplitude, phase or polarization of the scattered light. However, the fabrication of such optical metasurfaces requires cumbersome and time-consuming techniques. Phase-change materials (PCMs) in combination with direct laser writing promise a convenient alternative for metasurface fabrication. PCMs were originally employed for non-volatile data storage technology due to two different meta-stable phases governed with a strong refractive index contrast. % In combination with metasurfaces, these PCMs allow for tuning the resonances of nanoantennas based on a change in refractive index, but have been also utilized for direct laser writing of metasurfaces. Recently, the plasmonic PCM In$_3$SbTe$_2$ (IST) has been introduced into nanophotonics due to its ability to switch reversibly from a dielectric amorphous phase to a metallic crystalline phase in the entire infrared spectral range. This behavior has been exploited for non-volatile resonance tuning of nanoantennas by reconfiguring the size and shape of the antennas themselves with precise laser pulses. In this thesis, the plasmonic PCM IST is established as a versatile nanophotonic platform, facilitating fabrication and investigation of functional metasurfaces for thermal emission and beam-shaping, as well as rapid prototyping of polariton optics for launching and confinement of surface waves. Polaritons are light coupled to charge oscillations in matter, enabling strong field confinements far below the diffraction limit. First, emissivity-shaping metasurfaces consisting of optically programmed crystalline IST grating bars are demonstrated. The resonance wavelength of the gratings is shifted from 6 to 14 µm by increasing the bar width. Infrared images are investigated with a hyperspectral detector and the polarization dependency is exploited to encode two different images within the same metasurface. Additionally, a narrowband diffuse thermal emitter based on a Fabry Perot resonator with IST on top and a spectral bandwidth of 1 µm is shown. The switchable IST layer enabled switching off the emissivity of the device. Afterwards, infrared beam-shaping is studied with geometric phase metasurfaces consisting of rotated IST rod antennas in combination with circularly polarized light. A multitude of functionalities, such as beam steering, lensing, optical vortex beams and holography is showcased. Finally, IST is combined with the surface phonon polariton hosting polar crystal SiC to launch and confine polaritons. Via optical programming, circular polariton resonators are fabricated and reconfigured to retrieve a field confinement of $\lambda/36$. The surface plasmon polariton (SPP) confinement of doped semiconductors is increased with thin PCM layers enabling the detection of infrared SPPs on bulk materials which has not been shown previously. The ability to directly program arbitrary nanostructures with IST could replace previously established fabrication techniques and will boost the research area of active nanophotonics by rapid-prototyping of functional metasurfaces and polariton optics.

OpenAccess:
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