Summary

Определение возбуждения и сцепления между излучателей света и поверхностного плазмон поляритонов

Published: July 21, 2018
doi:

Summary

Этот протокол описывает приборов для определения возбуждения и сцепления между излучателей света и блох как поверхностного плазмон поляритонов, вытекающих из периодических массивы.

Abstract

Мы разработали уникальный метод для измерения возбуждения и муфты ставки между излучателей света и поверхностного плазмон поляритонов (ППУ) вытекающие из металлических периодических массивы без привлечения время решена методов. Мы разработали ставки в количествах, которые могут быть измерены простым оптических измерений. Приборостроение, основанные на угол и поляризации решены отражательной способности и фотолюминесценции спектроскопия будут описаны подробно здесь. Наш подход интригует из-за своей простоты, которая требует обычной оптике и несколько механических этапов и таким образом является весьма доступным для большинства научно-исследовательских лабораторий.

Introduction

Поверхностного плазмон опосредованной флуоресцирования (SPMF) получила значительное внимание недавно1,2,3,4,5,6. Когда излучателей света находятся в непосредственной близости от плазмонных системы, энергия может передаваться между эмитентами и поверхностного плазмон поляритонов (SPP). В целом сильные плазмонных поля может сильно повысить возбуждения излучателей2. В то же время уровень выбросов также увеличивается из-за большой плотность из государств созданные ППУ, уступая известных Purcell эффект3. Эти два процесса работать рука в руку в производстве SPMF. Как SPMF стимулировало многочисленные приложения в Твердотельные освещения1,4,5и6Био Детектирование энергии это в настоящее время ведется интенсивное расследование. В частности знания скорость передачи энергии от ППУ излучателей и наоборот, то есть, возбуждение и муфты цены, имеет большое значение. Однако процессы возбуждения и выбросов обычно запутались вместе, исследования на этот аспект по-прежнему отсутствует. Например большинство исследований только определить коэффициент эффективности возбуждения, который просто сравнивает выбросов с и без ППУ7. Точное измерение скорости возбуждения до сих пор отсутствует. С другой стороны обычные время решены такие методы, как отдела Флуоресценция жизни обычно используются для изучения динамики процесса выбросов, но они не могут отделить уровень сцепления от общего распада курс8. Здесь мы опишем, как можно определить их путем объединения модель уравнение ставки и временной режим спаренных теория9,10. Замечательно мы находим, что возбуждение и муфты ставки могут быть выражены через измеримые количества, которые можно получить, выполнив фотолюминесценция спектроскопии и отражательной способности урегулировать угол и поляризации. Мы будем сначала изложить формулировки и затем описать инструментирования в деталях. Такой подход является полностью на основе частотной области и не требует каких-либо время решена аксессуары, такие как коррелированных по времени Однофотонная счетчики, которые являются дорогостоящими и иногда трудно осуществить8, и ультра-быстрой лазеры 11. Мы ожидаем этот техника быть благоприятной технологии для определения возбуждения и сцепления между излучателей света и резонансной полости.

SPMF в периодических систем проинформировал здесь. Для периодического плазмонных системы, где могут создаваться блох как ППУ, помимо прямого возбуждения и выбросов, которые характеризуются возбуждения эффективности η и спонтанного курс Γr, излучатели может быть взволнован входящие ППУ и упадок через исходящие ППУ. Другими словами под резонанс возбуждения, входящие ППУ создаются для создания сильных плазмонных полей, которые активизировать излучателей. После того, как рады, излучатели, энергии из них могут быть переданы исходящих ППУ, которые впоследствии радиационно рассеиваться в дальнем поле, что привело к активизации выбросов. Они определяют SPMF. Для простых двух уровневого излучателей возбуждения относится к увеличение переход электронов из земли возбужденных государствам тогда как выбросов определяет распада электронов обратно к земле государства, сопровождающийся испусканием фотонов на длинах волн определенных в разница в энергии между государствами возбужденных и грунта. Возбуждения и выбросов условия для SPMF необходимы для выполнения этапа известным соответствия уравнение для возбуждения входящие и исходящие ППУ9

Equation 1(1)

где ε и εm диэлектрической константы металлов и диэлектриков, θ и φ — инцидента и азимутальные углы, P-период массива, λ является длина волны возбуждения или выбросов, и m и n являются целыми числами, указание порядка ППУ. Для возбуждения, в плоскости wavevector лазерного луча будет Брэгг разбросаны импульс матч с входящего ППУ и θ и φ вместе определяют указанный инцидент конфигурации для захватывающих ППУ для расширения электронных поглощения на возбуждения волны λex. Аналогичным образом для выбросов, исходящие SPP будет наоборот Брэгг, разбросанных в соответствии с линией света и углы теперь представляют собой каналы возможных выбросов на выбросов волны λЭм. Однако, следует отметить, что как излучателей можно пару их энергию для векториального размножаемый ППУ с Equation 2 , имеет ту же величину Equation 3 но разных направлениях, ППУ может распадаться через различные комбинации (m, n) для дальнего поля следующее уравнение (1).

Используя уравнение модели курса и временной режим спаренных теория (CMT), находим что возбуждения курс Γex, т.е. скорость передачи энергии от ППУ для излучателей, могут быть выражены как9,12,13

Equation 4(2)

где η — коэффициент выше прямого возбуждения при отсутствии входящих ППУ, Γмалыш это общий распад скорость входящего ППУ Equation 5 в котором Γabs и Γrad являются омического поглощения и радиационные распад темпы ППУ, и Equation 6 является коэффициент мощности фотолюминесценция с и без входящего ППУ. С другой стороны муфта скорость Γc, то есть скорость передачи энергии от излучателей в ППУ, может быть записана как:

Equation 7(3)

где Γr – ставка прямых выбросов, Equation 8 это соотношение мощности фотолюминесценция между αй SPP опосредованной распада и прямые порты, и Γradα и Γмалыш радиационное воздействие распада ставки для портай α и уровень общего распада. Мы увидим, что, хотя все тарифы SPP распада могут быть измерены отражательной спектроскопии, коэффициент мощности выбросов может определяться фотолюминесценция спектроскопии. Подробная информация о формулировки можно найти в справочных9,10.

Protocol

1. Установка вмешательства литографии Примечание: Вмешательство литографии используется для изготовления периодических массивы12. Схема установки, как показано на рисунке 1, строится следующим образом: Фокус 325 Нм лазер из HeCd многомодов?…

Representative Results

В врезные рисунок 4a8приведен пример массива периодические Au. Плоскости SEM изображение показывает, что образец является массив круглое отверстие 2D квадратную решетку с периодом 510 нм, отверстие глубиной 280 Нм и отверстие диаметром 140 Нм. P пол…

Discussion

В этом протоколе есть несколько важных шагов. Во-первых, Механическая стабильность имеет решающее значение в пробоподготовки. Стоячей волны, генерируемые Ллойда установки чувствителен к разность фаз между двумя балками освещения. Таким образом любые вибрации во время экспозиции буде?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Это исследование было поддержано китайского университета Гонконга через прямые гранты 4053077 и 4441179, RGC конкурентных целевые субсидии на проведение исследований, 402812 и 14304314 и площадь от совершенства 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

  1. Okamoto, K., et al. Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells. Nature Materials. 3 (9), 601-605 (2004).
  2. Akselrod, G. M., et al. Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors. Nano Letters. 15 (5), 3578-3584 (2015).
  3. Gontijo, I., et al. Coupling of InGaN quantum-well photoluminescence to silver surface plasmons. Physical Review B. 60 (16), 11564 (1999).
  4. Huang, K. C. Y., et al. Antenna electrodes for controlling electroluminescence. Nature Communications. 3, 1005 (2012).
  5. Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature Materials. 9 (3), 205-213 (2010).
  6. Anker, J. N., et al. Biosensing with plasmonic nanosensors. Nature Materials. 7 (6), 442-453 (2008).
  7. Chen, Y., et al. Excitation enhancement of CdSe quantum dots by single metal nanoparticles. Applied Physics Letters. 93 (5), 053106 (2008).
  8. Birowosuto, M. D., Skipetrov, S. E., Vos, W. L., Mosk, A. P. Observation of Spatial Fluctuations of the Local Density of States in Random Photonic Media. Physical Review Letters. 105 (1), 013904 (2010).
  9. Cao, Z. L., Ong, H. C. Determination of coupling rate of light emitter to surface plasmon polaritons supported on nanohole array. Applied Physics Letters. 102 (24), 241109 (2013).
  10. Lin, M., Cao, Z. L., Ong, H. C. Determination of the excitation rate of quantum dots mediated by momentum-resolved Bloch-like surface plasmon polaritons. Optics Express. 25 (6), 6029-6103 (2017).
  11. Nikolaev, I. S., Lodahl, P., Driel, A. F. V., Koenderink, A. F., Vos, W. L. Strongly nonexponential time-resolved fluorescence of quantum-dot ensembles in three-dimensional photonic crystals. Physical Review B. 75 (11), 115302 (2007).
  12. Cao, Z. L., Lo, H. Y., Ong, H. C. Determination of absorption and radiative decay rates of surface plasmon polaritons from nanohole array. Optics Letters. 37 (24), 5166-5168 (2012).
  13. Haus, H. A. . Waves and Fields in Optoelectronics. , (1984).

Play Video

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).

View Video