Thermal radiation has diffusive and broad emission characteristics. Controlling emission spectrum and direction is essential for various applications. Nanoparticle arrays, supporting collective lattice resonances, can be employed for controlling optical properties. However, thermal emission characteristics remain unexplored due to the lack of a theoretical model. Here, we develop an analytical model to predict thermal radiation from a nanoparticle array using fluctuation–dissipation theorem and lattice Green's functions. Our findings reveal that the periodicity and particle size of the particle array are main parameters to control both emission spectrum and direction. The derived simple expression for thermal emission enables insightful interpretation of physics. This model will lay a foundation for analytical derivation of thermal radiation from metasurfaces. Our study can be useful in engineering infrared thermal sources and radiative cooling applications.

1.
A.
Lenert
,
D. M.
Bierman
,
Y.
Nam
,
W. R.
Chan
,
I.
Celanović
,
M.
Soljačić
, and
E. N.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
126
(
2014
).
2.
A.
Fiorino
,
L.
Zhu
,
D.
Thompson
,
R.
Mittapally
,
P.
Reddy
, and
E.
Meyhofer
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
806
(
2018
).
3.
D.
Costantini
,
A.
Lefebvre
,
A.-L.
Coutrot
,
I.
Moldovan-Doyen
,
J.-P.
Hugonin
,
S.
Boutami
,
F.
Marquier
,
H.
Benisty
, and
J.-J.
Greffet
,
Phys. Rev. Appl.
4
,
014023
(
2015
).
4.
P.
Zijlstra
,
P. M. R.
Paulo
, and
M.
Orrit
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
379
(
2012
).
5.
O.
Ilic
,
P.
Bermel
,
G.
Chen
,
J. D.
Joannopoulos
,
I.
Celanovic
, and
M.
Soljačić
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
320
(
2016
).
6.
A. C.
Overvig
,
S. A.
Mann
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. X
11
,
021050
(
2021
).
7.
H.
Chalabi
and
A.
Al
,
Phys. Rev. B
94
,
094307
(
2016
).
8.
W.
Li
,
U.
Guler
,
N.
Kinsey
,
G. V.
Naik
,
A.
Boltasseva
,
J.
Guan
,
V. M.
Shalaev
, and
A. V.
Kildishev
,
Adv. Mater.
26
,
7921
(
2014
).
9.
T.
Wang
,
P.
Li
,
D. N.
Chigrin
,
A. J.
Giles
,
F. J.
Bezares
,
O. J.
Glembocki
,
J. D.
Caldwell
, and
T.
Taubner
,
ACS Photonics
4
,
1753
(
2017
).
10.
C.
Wu
,
B. N.
III
,
J.
John
,
A.
Milder
,
B.
Zollars
,
S.
Savoy
, and
G.
Shvets
,
J. Opt.
14
,
024005
(
2012
).
11.
H. T.
Miyazaki
,
T.
Kasaya
,
M.
Iwanaga
,
B.
Choi
,
Y.
Sugimoto
, and
K.
Sakoda
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
121107
(
2014
).
12.
J.-J.
Greffet
,
R.
Carminati
,
K.
Joulain
,
J.-P.
Mulet
,
S.
Mainguy
, and
Y.
Chen
,
Nature
416
,
61
(
2002
).
13.
D. G.
Baranov
,
Y.
Xiao
,
I. A.
Nechepurenko
,
A.
Krasnok
,
A.
Alù
, and
M. A.
Kats
,
Nat. Mater.
18
,
920
(
2019
).
14.
S. Y.
Lin
,
J.
Fleming
,
E.
Chow
,
J.
Bur
,
K.
Choi
, and
A.
Goldberg
,
Phys. Rev. B
62
,
R2243
(
2000
).
15.
M.
De Zoysa
,
T.
Asano
,
K.
Mochizuki
,
A.
Oskooi
,
T.
Inoue
, and
S.
Noda
,
Nat. Photonics
6
,
535
(
2012
).
16.
M.
Centini
,
A.
Benedetti
,
M. C.
Larciprete
,
A.
Belardini
,
R. L.
Voti
,
M.
Bertolotti
, and
C.
Sibilia
,
Phys. Rev. B
92
,
205411
(
2015
).
17.
M.
Centini
,
M. C.
Larciprete
,
R. L.
Voti
,
M.
Bertolotti
,
C.
Sibilia
, and
M.
Antezza
,
Opt. Express
28
,
19334
(
2020
).
18.
B.
Auguié
and
W. L.
Barnes
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
143902
(
2008
).
19.
V.
Giannini
,
A. I.
Fernández-Domínguez
,
S. C.
Heck
, and
S. A.
Maier
,
Chem. Rev.
111
,
3888
(
2011
).
20.
V. G.
Kravets
,
F.
Schedin
, and
A. N.
Grigorenko
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
087403
(
2008
).
21.
G.
Vecchi
,
V.
Giannini
, and
J. G.
Rivas
,
Phys. Rev. B.
80
,
201401
(
2009
).
22.
A.
Vaskin
,
R.
Kolkowski
,
A. F.
Koenderink
, and
I.
Staude
,
Nanophotonics
8
,
1151
(
2019
).
23.
R.
Kolkowski
and
A. F.
Koenderink
,
Proc. IEEE
108
,
795
(
2020
).
24.
N.
Meinzer
,
W. L.
Barnes
, and
I. R.
Hooper
,
Nat. Photonics
8
,
889
(
2014
).
25.
F. J. G.
De Abajo
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
1267
(
2007
).
26.
V. G.
Kravets
,
A. V.
Kabashin
,
W. L.
Barnes
, and
A. N.
Grigorenko
,
Chem. Rev.
118
,
5912
(
2018
).
27.
M.
Zhou
,
S.
Yi
,
T. S.
Luk
,
Q.
Gan
,
S.
Fan
, and
Z.
Yu
,
Phys. Rev. B
92
,
024302
(
2015
).
28.
A.
Ott
,
Z.
An
,
A.
Kittel
, and
S. A.
Biehs
,
Phys. Rev. B
104
,
165407
(
2021
).
29.
E.
Tervo
,
Z.
Zhang
, and
B.
Cola
,
Phys. Rev. Mater.
1
,
015201
(
2017
).
30.
A.
Didari
and
M. P.
Mengüç
,
Opt. Express
23
,
A547
(
2015
).
31.
L.
Novotny
and
B.
Hecht
,
Principles of Nano-Optics
, 2nd ed. (
Cambridge University Press
,
2012
).
32.
P.
Ben-Abdallah
,
S. A.
Biehs
, and
K.
Joulain
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
114301
(
2011
).
33.
E.
Tervo
,
M.
Francoeur
,
B.
Cola
, and
Z.
Zhang
,
Phys. Rev. B
100
,
205422
(
2019
).
34.
M.
Luo
,
J.
Zhao
,
L.
Liu
, and
M.
Antezza
,
Phys. Rev. B
102
,
024203
(
2020
).
35.
F.
Herz
and
S. A.
Biehs
,
Phys. Rev. B
105
,
205422
(
2022
).
36.
R. M.
Abraham Ekeroth
,
A.
García-Martín
, and
J. C.
Cuevas
,
Phys. Rev. B
95
,
235428
(
2017
).
37.
K.
Joulain
,
P.
Ben-Abdallah
,
P.-O.
Chapuis
,
Y.
De Wilde
,
A.
Babuty
, and
C.
Henkel
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
136
,
1–15
(
2014
).
38.
A. D.
Rakic
,
A. B.
Djuriš
,
J. M.
Elazar
, and
M. L.
Majewski
,
Appl. Opt.
37
,
5271
(
1998
).
39.
P.
Lunnemann
,
I.
Sersic
, and
A. F.
Koenderink
,
Phys. Rev. B
88
,
245109
(
2013
).
40.
C. M.
Linton
,
SIAM Rev.
52
,
630
(
2010
).
41.
F.
Capolino
,
D. R.
Wilton
, and
W. A.
Johnson
,
J. Comput. Phys.
223
,
250
(
2007
).
42.
S.
Oroskar
,
D. R.
Jackson
, and
D. R.
Wilton
,
J. Comput. Phys.
219
,
899
(
2006
).
43.
S.-A.
Biehs
,
R.
Messina
,
P. S.
Venkataram
,
A. W.
Rodriguez
,
J. C.
Cuevas
, and
P.
Ben-Abdallah
,
Rev. Mod. Phys.
93
,
25009
(
2021
).
44.
G. S.
Agarwal
,
Phys. Rev. A
11
,
230
(
1975
).
45.
A. E.
Moskalensky
and
M. A.
Yurkin
,
Rev. Phys.
6
,
100047
(
2021
).
46.
F.
Herz
and
S. A.
Biehs
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
266
,
107572
(
2021
).
47.
C.
Cherqui
,
M. R.
Bourgeois
,
D.
Wang
, and
G. C.
Schatz
,
Acc. Chem. Res.
52
,
2548
(
2019
).
48.
Y.
Chu
,
E.
Schonbrun
,
T.
Yang
, and
K. B.
Crozier
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
181108
(
2008
).
49.
L.
Zundel
and
A.
Manjavacas
,
J. Phys. Photonics
1
,
015004
(
2019
).
50.
S.
Rodriguez
,
M.
Schaafsma
,
A.
Berrier
, and
J.
Gómez Rivas
,
Physica B
407
,
4081
(
2012
).
51.
D.
Wang
,
M. R.
Bourgeois
,
J.
Guan
,
A. K.
Fumani
,
G. C.
Schatz
, and
T. W.
Odom
,
ACS Photonics
7
,
630
(
2020
).
You do not currently have access to this content.