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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este protocolo describe la instrumentación para determinar la excitación y el acoplamiento entre emisores de luz y Bloch-como plasmón superficial polaritons derivados de matrices periódicas.
Hemos desarrollado un método único para medir la excitación y el acoplamiento de las tasas entre los emisores de luz y plasmón superficial polaritons (SPPs) derivados de arreglos periódicos metálicos sin involucrar técnicas de tiempo resuelto. Hemos formulado las tarifas por cantidades que se pueden medir con simples mediciones ópticas. La instrumentación basada en reflectividad resuelto ángulo y polarización y espectroscopia de fotoluminiscencia se describirán en detalle aquí. Nuestro enfoque es intrigante debido a su simplicidad, que requiere óptica de rutina y varias etapas mecánicas y por lo tanto es muy accesible a la mayoría de los laboratorios de investigación.
Plasmon superficial mediada por fluorescencia (SPMF) ha recibido mucha atención recientemente1,2,3,4,5,6. Cuando se colocan emisores de luz en las proximidades de un sistema de plasmónica, energía puede transferirse entre los emisores y el plasmón superficial polaritons (SPPs). En general, los campos plasmónica fuertes fuertemente pueden mejorar la excitación de los emisores2. Al mismo tiempo, la tasa de emisión también se incrementa debido a la gran densidad-de-los Estados creados por SPPs, produciendo el conocido efecto de Purcell3. Estos dos procesos trabajan mano en mano en la producción de la SPMF. Como SPMF ha estimulado numerosas aplicaciones en iluminación de estado sólido1,4, recolección de energía5y6de la bio-detección, está actualmente bajo intensa investigación. En particular, el conocimiento de las velocidades de transferencia de energía de las SPPs para los emisores y a la inversa, es decir, la excitación y el acoplamiento de las tasas, es de gran importancia. Sin embargo, los procesos de excitación y emisión generalmente se enredan juntos, aún se carece de estudio sobre este aspecto. Por ejemplo, la mayoría de los estudios sólo determinar el ratio de eficiencia de excitación, que simplemente compara las emisiones con y sin SPPs7. La medida exacta de la tasa de excitación está todavía ausente. Por otra parte, convencional tiempo resuelto habitualmente se utilizan técnicas como espectroscopia de fluorescencia de por vida para el estudio de la dinámica del proceso de emisión, pero no son capaces de separar el tipo de acoplamiento de la tasa de decaimiento total8. Aquí, describimos cómo se puede determinar combinando el modelo de ecuación de velocidad y el modo temporal de juntado teoría9,10. Sorprendentemente, encontramos que la excitación y el acoplamiento de las tasas pueden expresarse en términos de cantidades medibles, que se pueden acceder mediante reflectividad resuelto ángulo y polarización y espectroscopia de fotoluminiscencia. Primero la formulación del esquema y luego describir la instrumentación en detalle. Este enfoque está enteramente basado en el dominio de la frecuencia y no requiere los accesorios tiempo resuelto como láser ultra rápido y tiempo-correlacionada del solo-fotón contadores, que son caros y a veces difícil de aplicar8, 11. anticipamos esta técnica para ser una tecnología que permite determinar la excitación y el acoplamiento entre emisores de luz y cavidades resonantes.
La SPMF en sistemas periódicos se informó aquí. Para un sistema plasmónica periódicos donde se pueden generar como Bloch SPPs, distintos de excitación directa y emisión, que se caracterizan por la excitación eficiencia η y la tasa de emisión espontánea Γr, los emisores pueden ser excitados por SPPs entrantes y decae mediante SPPs salientes. En otras palabras, bajo la excitación de la resonancia, SPPs entrantes se generan para crear fuertes campos plasmónica que energizan los emisores. Una vez que los emisores están emocionados, energía a partir de ellos puede transferirse a SPPs salientes, que posteriormente radiativamente disiparán a campo lejano, dando lugar a emisiones mejoradas. Ellos definen la SPMF. Para simples emisores de dos niveles, la excitación se refiere a la creciente transición de electrones de la tierra a los Estados excitados mientras que la emisión define el decaimiento de los electrones a los Estados de la tierra, acompañados por la emisión del fotón en longitudes de onda definidas por la diferencia de energía entre los Estados excitados y tierra. Las condiciones de excitación y emisión para la SPMF están obligadas a cumplir con la fase conocida coincidencia ecuación para excitar la entrada y salida de SPPs9
(1)
donde εuna y εm son las constantes dieléctricas de los dieléctricos y el metal, θ y φ son los ángulos incidentes y azimuthal, P es el período de la matriz, λ es la longitud de onda de excitación o emisión y m y n son enteros especificando el orden de SPPs. Para la excitación, el wavevector de en el plano del haz láser será Bragg dispersado a partido de impulso con las SPPs entrantes y el θ y φ junto definen la configuración especificada del incidente para excitar las SPPs para realzar la absorción electrónica en la la excitación longitud de onda λex. Asimismo, para la emisión, las SPPs salientes será reverso Bragg dispersos para coincidir con la línea de luz y los ángulos representan ahora los canales de emisión posibles en la longitud de onda de emisión λem. Sin embargo, se observa que los emisores pueden acoplar su energía para SPPs multiplicación vectoriales con
que tiene la misma magnitud
pero direcciones distintas, las SPPs pueden decaimiento a través de la varia combinación de (m, n) a la ecuación siguiente de campo lejano (1).
Utilizando el modelo de ecuación de velocidad y teoría temporal modo juntado (CMT), tenemos encontrar la excitación tasa Γex, es decir, la tasa de transferencia de energía de SPPs para emisores, se puede expresar como9,12,13
(2)
donde η es la tasa de excitación directa mencionadas en la ausencia de las SPPs entrantes, Γtot es la tasa de decaimiento total de las SPPs entrantes
Γabs y Γrad son la absorción resistiva y tasas de decaimiento radiativo de SPPs, y
es la relación de la potencia de la fotoluminiscencia con y sin las SPPs entrantes. Por otro lado, el acoplador tipo Γc, es decir, la tasa de transferencia de energía de emisores para SPPs, puede escribirse como:
(3)
donde Γr es la tasa de emisión directa,
es la fotoluminiscencia la relación de poder entre el α mediada porth SPP decaimiento y puertos directos y Γradα y Γtot están la tasa de decaimiento radiativo para el puerto deth α y las tasas de decaimiento total. Vamos a ver que mientras que todos los tipos de decaimiento SPP pueden ser medidos por espectroscopia de reflexión, la relación de potencia de emisión puede ser determinada por espectroscopía de fotoluminiscencia. Detalles de las formulaciones pueden encontrarse en la referencia9,10.
1. configuración de la litografía de interferencia
Nota: Litografía de interferencia se utiliza para fabricar los arreglos periódicos12. La configuración esquemática, como se muestra en la figura 1, se construye como sigue:
, donde λ = 325 nm y α es el ángulo de incidencia con respecto a la normal de la muestra, como se muestra en la figura 1. El ángulo de incidencia puede ajustarse girando configuración de Lloyd.2. periódico matriz preparación
Nota: La muestra es preparada según el procedimiento estándar sugerido por el fabricante. Todos los procedimientos se realizan a temperatura ambiente.
3. deposición de película oro y capa de emisor de luz
4. reflexividad mediciones para determinar las tasas de decaimiento de la SPP
Nota: La configuración de espectroscopia resueltos de polarización y de ángulo de reflexión se muestra en la figura 2. Consiste en un goniómetro con tres etapas de la rotación para el cambio independientemente de la orientación de la muestra (etapa 1) y ángulo de detección (etapa 2) así como el ángulo azimuthal de la muestra (etapa 3).
5. fotoluminiscencia mediciones para determinar la relación de potencia de emisión
Nota: La configuración de fotoluminiscencia resuelta ángulo y polarización se muestra en la figura 3.
,
,
, y
.
y
.
para diferentes αth orden siempre y cuando tenga dependencia del ángulo de detección bien definidos.Se da un ejemplo de una matriz periódica de Au en el recuadro de la figura 4a8. La imagen de vista SEM plano muestra que la muestra es una matriz 2D enrejado cuadrado agujero circular con un período de 510 nm, a una profundidad de agujero de 280 nm y un diámetro de agujero de 140 nm. La asignación de reflectividad p-polarizado, tomada a lo largo de la dirección de Γ-X se muestra en la figura 4a. La línea del tablero se calcula por la fase que empareja la ecuación EC. (1) lo que indica que (m = -1, n = 0) se excitan SPPs.
Cuando el polarizador y el analizador están en posiciones ortogonales, la asignación correspondiente de reflectividad se muestra en la Figura 4b. Vemos que la asignación es casi idéntica de la cartografía lineal polarizada excepto el fondo ahora se convierte en cero como la reflexión no resonante es quitada por el analizador. Además, los perfiles de la reflectividad se cambian de inmersiones a picos como solamente los SPP radiación amortiguación restos después del retiro del fondo.
De hecho, la relación de dispersión es una buena herramienta para estudiar la SPMF. Suponiendo que la longitud de onda de excitación láser es de 700 nm, SPPs entrantes se generará en un ángulo de incidencia de 19° e interactúan con los emisores si coincide con su banda de absorción. Por otro lado, emisión de SPP se detectan en un ángulo de incidencia de 23° si la emisión se produce a 730 nm. Por lo tanto, las resonancias SPP permiten excitar las SPPs entrantes para la mejora de la excitación y para localizar las SPPs salientes para el realce de la emisión.
Nos gira capa CdSeTe quantum dots dopado PVA del polímero en la matriz10. Figura 5a y 5b muestra el mapeo de reflectividad p-polarizado y ortogonales tomado a lo largo de los a lo largo de la dirección de Γ-X, que muestra el (-1,0). Figura 5 c y 5 d muestra que el correspondiente incidente de fotoluminiscencia y detección analizar asignaciones tomadas en la detección y ángulos de incidencia de 0 ° y 0 °, respectivamente. El láser longitud de onda λex es 633 nm. De hecho, de acuerdo con la asignación de reflectividad, vemos que la fuerte emisión ocurre en un ángulo de incidencia de 18,5 ° donde el entrante (-1,0) SPPs se excitan. Por otro lado, desde la exploración de detección, la fuerte semejanza entre la reflectividad y la fotoluminiscencia verifica que las emisiones se mejoran cuando se excitan con las SPPs salientes.
La determinación de la excitación y el acoplamiento de tarifas requiere las tasas de decaimiento SPP y fotoluminiscencia energía cocientes10. Para determinar las tasas de decaimiento en el 633 nm a lo largo de la dirección de Γ-X, los espectros de reflectividad p-polarizado y ortogonales extraídos de la figura 5a y 5b se muestra en la Figura 6a. El espectro de polarización p muestra un perfil de Fano-como que puede ser descrito como
, dondep es la reflectividad nonresonant y ωSPP es la energía de fotones resonantes, mientras que la contraparte ortogonal sigue
, que exhiben una Lorentz lineshape12. Luego están mejor equipadas y las tasas de decaimiento radiativo y total, Γtot y Γrad, son 95.08 y 27.15 meV (con h).
Por otro lado, la relación de potencia de fotoluminiscencia se obtiene como sigue. De la exploración del incidente en la figura 5 c, el perfil de emisión en la longitud de onda de emisión λem = 690 nm, donde se localiza la emisión directa, se extrae en la figura 6b. La relación potencia
, que se define como la emisión directa con y sin las SPPs entrantes, es simplemente la intensidad a 18,5 ° dividido por el fondo plano (6.896).
se determina entonces que 574,04 meV.
Por otro lado, el tipo de acoplamiento es longitud de onda de emisión dependiente. La longitud de onda de emisión en 690 nm es elegida como ejemplo. Las tasas de decaimiento radiativo y total, Γtot y Γrad, son 60.06 y 17.12 meV (con h), respectivamente. El perfil de exploración de detección es extraído de Figura 5D y muestra en la Figura 6C. La relación potencia
se define como el (-1,0) emisión SPP dividido por la emisión directa de medio espacio, asumiendo que la muestra no tiene ninguna transmisión. Puesto que el detector cubre un ángulo sólido ΔΩ ~ π37202 sr, para una superficie de Lambert,
, donde b sigue el fondo en figura 6 c como
. Por otro lado, el
dado que el perfil de pico dividido por ΔΩ. Como resultado,
se encuentra 0.805.

Figura 1 . Esquema de la litografía de interferencia. Una 325 nm láser luz enfocado a través de un filtro espacial y entonces se enciende en el interferómetro de espejo de Lloyd donde se encuentra la muestra. Las formas de onda a lo largo de la superficie de la muestra para la exposición. Inserción: esquemas de la vista superior y lateral de la muestra completada en la sección 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2 . Espectroscopía de reflexión resueltos de polarización y de ángulo. (un) esquemas de polarización y ángulo resuelto espectroscopia de reflexión. Tres etapas de la rotación se utilizan para construir el goniómetro. Una fibra multimodo juntado espectrómetro y detector CCD se utiliza para la detección. Una fuente de luz blanca banda ancha se utiliza para las mediciones de reflectividad. (b) vida Real imagen de la mayor parte (caja tablero negro en (un)) de la espectroscopia de reflexión resueltos de polarización y de ángulo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3 . Esquemas de polarización y ángulo resuelto espectroscopia de photoluminescence. Un 514 o 633 nm láser se utiliza para la fotoluminiscencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 . Asignaciones de reflectividad y las tasas de decaimiento deducida. (a) la asignación de p-polarizado de la reflectividad de una UA matriz tomada a lo largo de la dirección de Γ-X. La línea del tablero se calcula utilizando la fase emparejar ecuación, mostrando (-1,0) SPPs se excitan en diferentes longitudes de onda. Recuadro: el plano-ver imagen de SEM de la matriz. (b) la reflexión ortogonal correspondiente mapeo que demuestran que el fondo es nula y la reflectividad sumerge ahora convertirse en picos. (c) la trama de Γtot y Γrad en función de la longitud de onda. Se reproducen los resultados de referencia9. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5 . La reflectividad, incidentes y detección de exploración asignaciones de una matriz recubierta de puntos cuánticos de CdSeTe tomados a lo largo de la dirección de Γ-X. El (un) p-polarizado y (b) asignaciones de reflectividad ortogonal y la correspondiente detección de incidente y (d) de fotoluminiscencia (c) analizar las asignaciones tomadas en ángulo de detección e incidente = 0 ° y 0 °, respectivamente. El láser longitud de onda λex es 633 nm. Se reproducen los resultados de referencia10. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 . Representante de reflectividad, incidentes y detección de escanear perfil. (a) la reflectividad p-polarizado y ortogonal espectros junto con los mejores ajustes para determinar Γtot y Γrad en 633 nm. (b) la detección de incidente) y (c) extraído (b) exploración de perfiles. Se reproducen los resultados de referencia10. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.
Este protocolo describe la instrumentación para determinar la excitación y el acoplamiento entre emisores de luz y Bloch-como plasmón superficial polaritons derivados de matrices periódicas.
Esta investigación fue apoyada por la Universidad China de Hong Kong a través de la 4053077 de subvenciones directas y 4441179, grave destinado investigación subvenciones competitivas, 402812 y 14304314 y área de excelencia AoE/P-02/12.
| SU-8 | MicroChem | SU-8 2000.5 | |
| Solución de adhesión | MicroChem | Omnicoat | |
| SU-8 Diluyente (Gamma-Butyrolactone) | MicroChem | SU-8 2000 Diluyente | |
| SU-8 Revelador MicroChem | SU-8 Revelador | ||
| Spin Coater | Tecnología Chemat | KW-4A | |
| Láser HeCd | KIMMON KOHA CO., LTd | IK3552R-G | |
| Obturador | Thorlabs | SH05 | |
| Objetivo para la preparación de muestras | Newport | U-13X | |
| Estenopeico | Newport | PNH-50 | |
| Iris | Newport | M-DI47.50 | |
| Prisma | Thorlabs | PS611 | |
| Etapa de rotación para la preparación de muestras | Newport | 481-A | |
| Sistema de deposición de apoyo | Rotacióncasera | ||
| Etapa 1 | Newport | URM80ACC | |
| Rotación Etapa 2 | Newport | RV120PP | |
| Rotación Etapa 3 | Newport | SR50PP | |
| Brazo de detección Lámpara | de cuarzocasera | ||
| Newport | 66884 | ||
| Paquete de fibra | Newport | 77578 | |
| Objetivo para medición | Newport | M-5X & Polarizador M-60X | |
| & Analizador | Thorlabs | GT15 | |
| Fibra multimodo | Thorlabs | BFL105LS02 | |
| Espectrómetro | Newport | MS260i | |
| CCD | Andor | DV420-OE | |
| 514nm Argon Ion Laser | Spectra-Physics | 177-G01 | |
| 633nm HeNe Laser | Newport | R-32413 | |
| CdSeTe punto cuántico | Thermo Fisher Scientific | q21061mp | |
| Polímero de alcohol polivinílico (PVA) | SIGMA-ALDRICH | 363073 | |
| Programa de control | National Instruments | LabVIEW |