The ability to trap light in an ultrathin photoactive layer has been of great significance for applications ranging from optoelectronics, energy to spectroscopy. However, the current broadband light trapping suffers from undesirable direct Joule heat output with plasmonics or bulkiness with photonics. Here, we report a light-trapping photonic structure using an ultrathin all-dielectric super-absorbing metasurface. This presented photonic structure features asymmetrically coupled magnetic resonances, which eliminate reflection and transmission simultaneously by introducing destructive interference between the backscattered field of the resonance and the direct reflected field of the highly reflective Fabry–Pérot background. In particular, this photonic structure enables broadband light trapping by placing nanostructures of different sizes in a supercell. As a proof of concept, we experimentally demonstrate broadband (550–1280 nm) super absorption (>50%) within an ultrathin (∼200 nm) all-dielectric germanium metasurface. This work provides a design paradigm for harvesting light through flat photonic structures at the nanoscale and paves the way for cost-effective light management.

1.
H. L.
Chen
,
A.
Cattoni
,
R.
De Lépinau
,
A. W.
Walker
,
O.
Höhn
,
D.
Lackner
,
G.
Siefer
,
M.
Faustini
,
N.
Vandamme
,
J.
Goffard
,
B.
Behaghel
,
C.
Dupuis
,
N.
Bardou
,
F.
Dimroth
, and
S.
Collin
,
Nat. Energy
4
,
761
(
2019
).
3.
K. X.
Wang
,
Z.
Yu
,
V.
Liu
,
Y.
Cui
, and
S.
Fan
,
Nano. Lett.
12
,
1616
(
2012
).
4.
M. L.
Brongersma
,
Y.
Cui
, and
S.
Fan
,
Nat. Mater.
13
,
451
(
2014
).
5.
S.
Jeong
,
M. D.
McGehee
, and
Y.
Cui
,
Nat. Commun.
4
,
2950
(
2013
).
6.
M.
Xue
,
K. N.
Nazif
,
Z.
Lyu
,
J.
Jiang
,
C.-Y.
Lu
,
N.
Lee
,
K.
Zang
,
Y.
Chen
,
T.
Zheng
, and
T. I.
Kamins
,
Nano Energy
70
,
104466
(
2020
).
7.
A.
Polman
,
M.
Knight
,
E. C.
Garnett
,
B.
Ehrler
, and
W. C.
Sinke
,
Science
352
,
aad4424
(
2016
).
8.
W.
Wang
,
Y.
Qu
,
K.
Du
,
S.
Bai
,
J.
Tian
,
M.
Pan
,
H.
Ye
,
M.
Qiu
, and
Q.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
101101
(
2017
).
9.
M. A.
Kats
,
R.
Blanchard
,
P.
Genevet
, and
F.
Capasso
,
Nat. Mater.
12
,
20
(
2013
).
10.
H.
Dotan
,
O.
Kfir
,
E.
Sharlin
,
O.
Blank
,
M.
Gross
,
I.
Dumchin
,
G.
Ankonina
, and
A.
Rothschild
,
Nat. Mater.
12
,
158
(
2013
).
11.
H.
Luo
,
Q.
Li
,
K.
Du
,
Z.
Xu
,
H.
Zhu
,
D.
Liu
,
L.
Cai
,
P.
Ghosh
, and
M.
Qiu
,
Nano Energy
65
,
103998
(
2019
).
12.
Z.
Xu
,
Q.
Li
,
K.
Du
,
S.
Long
,
Y.
Yang
,
X.
Cao
,
H.
Luo
,
H.
Zhu
,
P.
Ghosh
,
W.
Shen
, and
M.
Qiu
,
Laser Photonics Rev.
14
(
1
),
1900162
(
2020
).
13.
P.
Hosseini
,
C. D.
Wright
, and
H.
Bhaskaran
,
Nature
511
,
206
(
2014
).
14.
M.
Pan
,
Y.
Huang
,
Q.
Li
,
H.
Luo
,
H.
Zhu
,
S.
Kaur
, and
M.
Qiu
,
Nano Energy
69
,
104449
(
2020
).
15.
V. A.
Milichko
,
D. A.
Zuev
,
D. G.
Baranov
,
G. P.
Zograf
,
K.
Volodina
,
A. A.
Krasilin
,
I. S.
Mukhin
,
P. A.
Dmitriev
,
V. V.
Vinogradov
, and
S. V.
Makarov
,
Laser Photonics Rev.
12
,
1700227
(
2018
).
16.
H. A.
Atwater
and
A.
Polman
,
Nat. Mater.
9
,
205
(
2010
).
17.
J. A.
Schuller
,
E. S.
Barnard
,
W.
Cai
,
Y. C.
Jun
,
J. S.
White
, and
M. L.
Brongersma
,
Nat. Mater.
9
,
193
(
2010
).
18.
K.
Nakayama
,
K.
Tanabe
, and
H. A.
Atwater
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
121904
(
2008
).
19.
E.
Stratakis
and
E.
Kymakis
,
Mater. Today
16
,
133
(
2013
).
20.
X.
Chen
,
B.
Jia
,
J. K.
Saha
,
B.
Cai
,
N.
Stokes
,
Q.
Qiao
,
Y.
Wang
,
Z.
Shi
, and
M.
Gu
,
Nano Lett.
12
,
2187
(
2012
).
21.
A.
Tittl
,
A.
Leitis
,
M.
Liu
,
F.
Yesilkoy
,
D.-Y.
Choi
,
D. N.
Neshev
,
Y. S.
Kivshar
, and
H.
Altug
,
Science
360
,
1105
(
2018
).
22.
Y.
Zhou
,
H.
Zheng
,
I. I.
Kravchenko
, and
J.
Valentine
,
Nat. Photonics
14
(
5
),
316
(
2020
).
23.
A.
Cordaro
,
H.
Kwon
,
D.
Sounas
,
A. F.
Koenderink
,
A.
Alù
, and
A.
Polman
,
Nano Lett.
19
,
8418
(
2019
).
24.
V. E.
Ferry
,
A.
Polman
, and
H. A.
Atwater
,
ACS Nano
5
,
10055
(
2011
).
25.
E. F.
Pecora
,
A.
Cordaro
,
P. G.
Kik
, and
M. L.
Brongersma
,
ACS Photonics
5
,
4456
(
2018
).
26.
D. M.
Callahan
,
J. N.
Munday
, and
H. A.
Atwater
,
Nano Lett.
12
,
214
(
2012
).
27.
H.
Zhu
,
Q.
Li
,
C.
Zheng
,
Y.
Hong
,
Z.
Xu
,
H.
Wang
,
W.
Shen
,
S.
Kaur
,
P.
Ghosh
, and
M.
Qiu
,
Light
9
(
1
),
60
(
2020
).
28.
C.
van Lare
,
F.
Lenzmann
,
M. A.
Verschuuren
, and
A.
Polman
,
Nano Lett.
15
,
4846
(
2015
).
29.
P.
Spinelli
,
M.
Verschuuren
, and
A.
Polman
,
Nat. Commun.
3
,
692
(
2012
).
30.
S. S. P.
Konedana
,
E.
Vaida
,
V.
Viller
, and
G.
Shalev
,
Nano Energy
59
,
321
(
2019
).
31.
J. R.
Piper
,
V.
Liu
, and
S.
Fan
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
251110
(
2014
).
32.
J.
Tian
,
H.
Luo
,
Q.
Li
,
X.
Pei
,
K.
Du
, and
M.
Qiu
,
Laser Photonics Rev.
12
,
1800076
(
2018
).
33.
K.
Fan
,
J.
Zhang
,
X.
Liu
,
G. F.
Zhang
,
R. D.
Averitt
, and
W. J.
Padilla
,
Adv. Mater.
30
,
1800278
(
2018
).
34.
K.
Fan
,
J. Y.
Suen
,
X.
Liu
, and
W. J.
Padilla
,
Optica
4
,
601
(
2017
).
35.
J.
Tian
,
Q.
Li
,
P. A.
Belov
,
R. K.
Sinha
,
W.
Qian
, and
M.
Qiu
,
ACS Photonics
7
,
1436
(
2020
).
36.
Q.
Li
,
J.
van de Groep
,
Y.
Wang
,
P. G.
Kik
, and
M. L.
Brongersma
,
Nat. Commun.
10
,
4982
(
2019
).
37.
Z.
Chen
,
L.
Zhu
,
W.
Li
, and
S.
Fan
,
Joule
3
,
101
(
2019
).
38.
H.
Zhou
,
B.
Zhen
,
C. W.
Hsu
,
O. D.
Miller
,
S. G.
Johnson
,
J. D.
Joannopoulos
, and
M.
Soljačić
,
Optica
3
,
1079
(
2016
).
39.
K. X.
Wang
,
Z.
Yu
,
S.
Sandhu
, and
S.
Fan
,
Opt. Lett.
38
,
100
(
2013
).
40.
J.
Yoon
,
K. H.
Seol
,
S. H.
Song
, and
R.
Magnusson
,
Opt. Express
18
,
25702
(
2010
).
41.
C.
Yang
,
C.
Ji
,
W.
Shen
,
K.-T.
Lee
,
Y.
Zhang
,
X.
Liu
, and
L. J.
Guo
,
ACS Photonics
3
,
590
(
2016
).
42.
S.
Liu
,
M. B.
Sinclair
,
T. S.
Mahony
,
Y. C.
Jun
,
S.
Campione
,
J.
Ginn
,
D. A.
Bender
,
J. R.
Wendt
,
J. F.
Ihlefeld
, and
P. G.
Clem
,
Optica
1
,
250
(
2014
).
44.
D.
Headland
,
S.
Nirantar
,
W.
Withayachumnankul
,
P.
Gutruf
,
D.
Abbott
,
M.
Bhaskaran
,
C.
Fumeaux
, and
S.
Sriram
,
Adv. Mater.
27
,
7137
(
2015
).
45.
S. B.
Choi
,
D. J.
Park
,
S. J.
Byun
,
J.
Kyoung
, and
S. W.
Hwang
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
1719
(
2015
).
46.
C.
Valagiannopoulos
,
A.
Tukiainen
,
T.
Aho
,
T.
Niemi
,
M.
Guina
,
S.
Tretyakov
, and
C.
Simovski
,
Phys. Rev. B
91
,
115305
(
2015
).
47.
Z.
Ma
,
S. M.
Hanham
,
P.
Albella
,
B.
Ng
,
H. T.
Lu
,
Y.
Gong
,
S. A.
Maier
, and
M.
Hong
,
ACS Photonics
3
,
1010
(
2016
).
48.
P.
Moitra
,
B. A.
Slovick
,
W.
Li
,
I. I.
Kravchencko
,
D. P.
Briggs
,
S.
Krishnamurthy
, and
J.
Valentine
,
ACS Photonics
2
,
692
(
2015
).
49.
Z.
Gao
,
F.
Gao
,
Y.
Zhang
,
X.
Shi
,
Z.
Yang
, and
B.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
041118
(
2015
).
50.
J.
Tian
,
H.
Luo
,
Y.
Yang
,
F.
Ding
,
Y.
Qu
,
D.
Zhao
,
M.
Qiu
, and
S. I.
Bozhevolnyi
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
396
(
2019
).
51.
H.
Liu
,
G.
Li
,
K.
Li
,
S.
Chen
,
S.
Zhu
,
C.
Chan
, and
K.
Cheah
,
Phys. Rev. B
84
(
23
),
235437
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.