Summary

Bestimmung der Erregung und Kupplung zwischen Lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen

Published: July 21, 2018
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Summary

Dieses Protokoll beschreibt die Instrumentierung für die Bestimmung der Anregung und Kopplung zwischen lichtemittern und Bloch-ähnlichen Oberflächen Plasmon-Polaritonen periodische Arrays aus.

Abstract

Wir haben eine einzigartige Methode zur Messung der Anregung und Kupplung Preise zwischen lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen (SPPs) aus metallischen periodische Arrays ohne Einbeziehung der Zeitaufgelösten Techniken entwickelt. Wir haben die Preise von Mengen formuliert, die von einfachen optischen Messungen gemessen werden kann. Die Instrumentierung basierend auf Winkel und Polarisation gelöst Reflektivität und Photolumineszenz-Spektroskopie werden hier ausführlich beschrieben. Unser Ansatz ist interessant wegen seiner Einfachheit, das erfordert Routine Optik und mechanischen mehrstufig und somit sehr erschwinglich für die meisten der Forschungslabore.

Introduction

Surface Plasmon vermittelte Fluoreszenz (SPMF) hat beträchtliche Aufmerksamkeit erhielt vor kurzem1,2,3,4,5,6. Wenn lichtemittern in unmittelbarer Nähe zu einem plasmonische System gestellt werden, kann Energie zwischen dem Emittenten und Oberflächen Plasmon Polaritonen (SPPs) übertragen werden. Im Allgemeinen können starke plasmonische Felder die Erregung der Emitter2stark verbessern. Zur gleichen Zeit wird die Emissionsrate auch wegen der großen Dichte-der-Staaten erstellt von SPPs, nachgeben der bekannten Purcell Effekt3erhöht. Diese beiden Prozesse arbeiten Hand in Hand bei der Herstellung der SPMF. Da SPMF hat zahlreiche Anwendungen in Solid-State Lighting1,4, Energy harvesting-5und Bio-Erkennung6, angeregt wird es derzeit intensiv untersucht. Insbesondere das Wissen um die Energie-Übertragungsraten von der SPPs die Emittenten und umgekehrt, d. h. die Erregung und Kupplung Preise, ist von großer Bedeutung. Aber die Anregung und Emission Prozesse sind in der Regel zusammen verstrickt, Studie über diesen Aspekt fehlt noch. Zum Beispiel bestimmen die meisten Studien nur die Erregung Wirkungsgrad, die einfach die Emission mit und ohne SPPs7vergleicht. Die exakte Messung der Erregung Rate fehlt noch. Auf der anderen Seite Zeitaufgelösten konventionellen Techniken wie Fluoreszenz-Lebensdauer-Spektroskopie werden routinemäßig zur Untersuchung der Dynamik des Prozesses Emission verwendet, aber sie sind nicht in der Lage, die Kupplung Rate von der totalen Verfall Preis8zu trennen. Hier beschreiben wir, wie sie durch die Kombination der Gleichung Tarifmodell und den zeitlichen gekoppelten Modus Theorie9,10bestimmt werden kann. Bemerkenswert ist, finden wir, dass die Erregung und Kupplung Preise in Bezug auf die messbaren Mengen ausgedrückt werden können, durch Winkel und Polarisation gelöst Reflektivität und Photolumineszenz-Spektroskopie zugegriffen werden kann. Wir werden zunächst skizzieren die Formulierung und dann die Instrumentierung im Detail zu beschreiben. Dieser Ansatz ist völlig Frequenzbereich basiert und es erfordert keine Zeitaufgelösten Zubehör wie ultraschnellen Laser und Zeit korreliert Single-Photon-Zähler, sind teuer und manchmal nur schwer umzusetzen8, 11. rechnen wir mit dieser Technik, um eine Basistechnologie für die Bestimmung der Anregung und Kopplung zwischen lichtemittern und resonanten Hohlräume werden.

Die SPMF in periodische Systeme wird hier informiert. Für eine periodische plasmonische System wo Bloch-ähnliche SPPs erzeugt werden können, als direkte Anregung und Emission, die durch die Erregung Wirkungsgrad η und spontane Emission Rate ΓRgekennzeichnet sind, können die Emittenten von eingehenden SPPs begeistert sein und über ausgehende SPPs zerfallen. Das heißt, werden unter Resonanzanregung, eingehende SPPs generiert, um starke plasmonische Felder erstellen, die die Emittenten zu energetisieren. Sobald der Strahler begeistert sind, kann Energie aus ihnen auf ausgehende SPPs, die anschließend Strahlungs-, Fernfeld abführen, was zu verstärkten Ausstoß übertragen werden. Sie definieren SPMF. Für einfache zwei-Ebenen-Strahler bezieht sich die Erregung auf den erhöhten Übergang der Elektronen aus dem Boden um die angeregten Zustände während die Emission den Zerfall der Elektronen zurück in die Staaten von Boden, begleitet von Photonenemission bei definierten Wellenlängen definiert durch die Energiedifferenz zwischen den Staaten aufgeregten und Boden. Die Anregung und Emission Bedingungen für die SPMF sind erforderlich, um die bekannten Phase matching Gleichung, die eingehende und ausgehende SPPs9 begeistern zu erfüllen

Equation 1(1)

wo εein und εm sind die dielektrische Konstanten der Dielektrika und das Metall, θ und φ sind die einfallenden und azimutale Winkel P ist die Periode des Arrays, λ ist die Wellenlänge Erregung oder Emission und m und n sind die ganzen Zahlen die Reihenfolge der Angabe SPPs. Für Anregung, in der Ebene Wavevector des Laserstrahls werden Bragg in Schwung-Match mit den eingehenden SPPs zerstreut und θ und φ zusammen definieren die angegebene Vorfall Konfiguration für spannende SPPs zur Verbesserung der elektronischen Absorption bei der Erregung Wellenlänge λab. Ebenso für die Emission werden die ausgehende SPPs umgekehrt Bragg verstreut um die Lichtlinie entsprechen und die Winkel jetzt die Kanäle möglich Emission bei der Emission Wellenlänge λEm. Allerdings ist anzumerken, dass wie die Emittenten ihre Energie an vektorielle verbreitende SPPs mit koppeln können Equation 2 , hat die gleiche Größe Equation 3 aber verschiedene Richtungen der SPPs können über verschiedene Kombination von (m, n), Fernfeld folgenden GL. (1) zerfallen.

Mithilfe der Gleichung Tarifmodell und zeitliche gekoppelten Modus Theorie (CMT), wir finden, dass die Erregung Rate Γex, d. h. die Energie-Übertragungsrate von SPPs, Strahler, ausgedrückt werden kann, als9,12,13

Equation 4(2)

η die genannten direkten Anregung Rate in Ermangelung der eingehenden SPPs, ΓTot ist die totale Zerfallsrate von eingehenden SPPs Equation 5 in dem Γabs und Γrad die ohmschen Absorption und radiative Decay Rate der SPPs, sind und Equation 6 ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis mit und ohne eingehende SPPs. Auf der anderen Seite kann die Kupplung Satz Γc, d. h. die Energie Übertragungsrate vom Emitter zum SPPs, als geschrieben werden:

Equation 7(3)

wo ΓR die direkte Emissionsrate ist Equation 8 ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis zwischen dem αth SPP vermittelte Zerfall und direkte Anschlüsse und Γradα und ΓTot sind die radiative Decay-Preise für den α-th -Port und die Preise insgesamt Verfall. Wir werden sehen, dass während der SPP-Verfall-Preise von Reflektivität Spektroskopie gemessen werden können, die Emission-Leistungs-Verhältnis durch Photolumineszenz-Spektroskopie bestimmt werden kann. Details der Formulierungen finden Sie unter Referenz9,10.

Protocol

1. Setup der Interferenz Lithographie Hinweis: Interferenz Lithographie wird verwendet, um die periodische Arrays12zu fabrizieren. Der schematische Aufbau ist wie in Abbildung 1dargestellt ist wie folgt aufgebaut: Konzentrieren Sie sich die 325 nm Laser aus einem multimode HeCd-Laser, ein 13 X UV Objektiv und übergeben es durch eine Lochblende 50 μm räumliche Filter für Reinigung Modus basiert. Legen Sie zwei 2,5 cm …

Representative Results

Ein Beispiel für ein Au periodische Array wird im Einschub von Abbildung 4a8gegeben. Das Flugzeug-View SEM-Bild zeigt, dass die Probe ein 2D quadratische Gitter kreisloch Array mit einer Periode von 510 ist nm, eine Lochtiefe von 280 nm und einem Lochdurchmesser von 140 nm. Abbildung 4azeigt die p-polarisierten Reflektivität Zuordnung Γ-X-Richtung mitgenommen. Die gestrichelte Linie wird berechnet, inde…

Discussion

In diesem Protokoll gibt es mehrere wichtige Schritte. Erste, mechanische Stabilität ist entscheidend bei der Probenvorbereitung. Die stehende Welle erzeugt durch Lloyds Setup reagiert empfindlich auf die Phasendifferenz zwischen zwei Beleuchtung Strahlen. Daher wird jegliche Schwingungen während der Belichtungszeit der Einheitlichkeit und Randschärfe der Nanohole beeinträchtigt. Es wird dringend empfohlen, beispielsweise in eine erschütterungsfrei Umgebung, z. B., eine optische Tisch mit Vibration Isolatio…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Forschung wurde unterstützt von der Chinese University of Hong Kong durch direkte Zuschüsse-4053077 und 4441179, RGC Wettbewerb vorgesehen Forschungsstipendien, 402812 und 14304314, und Bereich der Exzellenz AoE/P-02/12.

Materials

SU-8 MicroChem SU-8 2000.5
Adhesion solution MicroChem Omnicoat
SU-8 Thinner (Gamma-Butyrolactone) MicroChem SU-8 2000 Thinner
SU-8 Developer MicroChem SU-8 Developer
Spin Coater Chemat Technology KW-4A
HeCd laser KIMMON KOHA CO., LTd IK3552R-G
Shutter Thorlabs SH05
Objective for sample preparation Newport U-13X
Pinhole Newport PNH-50
Iris Newport M-DI47.50
Prism Thorlabs PS611
Rotation stage for sample preparation Newport 481-A
Supttering Deposition System Homemade
Rotation Stage 1 Newport URM80ACC
Rotation Stage 2 Newport RV120PP
Rotation Stage 3 Newport SR50PP
Detection arm Homemade
Quartz lamp Newport 66884
Fiber Bundle Newport 77578
Objective for measurement Newport M-5X & M-60X
Polarizer & Analyzer Thorlabs GT15
Multimode Fiber Thorlabs BFL105LS02
Spectrometer Newport MS260i
CCD Andor DV420-OE
514nm Argon Ion Laser Spectra-Physics 177-G01
633nm HeNe Laser Newport R-32413
CdSeTe quantum dot Thermo Fisher Scientific q21061mp
Polyvinyl alcohol polymer (PVA) SIGMA-ALDRICH 363073
Control program National Instruments LabVIEW

Riferimenti

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Citazione di questo articolo
Cao, Z., Lin, M., Ong, D. Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons. J. Vis. Exp. (137), e56735, doi:10.3791/56735 (2018).

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