Summary
Denne protokol beskriver instrumentering til bestemmelse af excitation og kobling mellem lys udledere og Bloch-lignende overflade plasmon polaritons som følge af periodiske arrays.
Abstract
Vi har udviklet en unik metode til at måle excitation og kobling priser mellem lys udledere og overflade plasmon polaritons (SPP'er) som følge af metallisk periodiske arrays uden at involvere tidsopløst teknikker. Vi har formuleret satserne af mængder, der kan måles ved simpel optiske målinger. Instrumenteringen baseret på løst vinkel og polarisering refleksivitet og fotoluminescens spektroskopi vil blive beskrevet i detaljer her. Vores tilgang er spændende på grund af sin enkelhed, som kræver rutine optik og flere mekaniske faser, og dermed er meget overkommelige for de fleste af forskningslaboratorier.
Introduction
Overflade plasmon medieret fluorescens (SPMF) har fået betydelig opmærksomhed for nylig1,2,3,4,5,6. Når lys udledere er placeret i umiddelbar nærhed af et plasmonic system, kan energi overføres mellem udledere og overflade plasmon polaritons (SPP'er). Generelt, kan de stærke plasmonic felter kraftigt forbedre excitation af udledere2. På samme tid, er emission også steget på grund af den store tæthed-af-stater lavet af SPP'er, giver den velkendte Purcell virkning3. Disse to processer arbejde hånd i hånd i producerer SPMF. Som SPMF har stimuleret talrige anvendelsesmuligheder i solid state belysning,1,4, energi høst5og bio-påvisning6, er det i øjeblikket under intensiv efterforskning. Især viden om energi-overførselshastigheder fra SPP'er til udledere og vice versa, dvs., excitation og kobling satser, er af stor betydning. Men excitations- og processer er normalt viklet sammen, undersøgelse af dette aspekt mangler stadig. For eksempel, bestemme de fleste af undersøgelserne kun excitation effektivitet ratio, som simpelthen sammenligner emission med og uden SPP'er7. Den nøjagtige måling af excitation sats er stadig mangler. På den anden side tidsopløst konventionelle teknikker såsom fluorescens levetid spektroskopi bruges rutinemæssigt til at studere dynamikken i emission proces, men de er i stand til at adskille kobling sats fra den samlede henfald sats8. Her beskriver vi, hvordan man kan bestemme dem ved at kombinere hastighed ligningen modellen og tidsmæssige koblede tilstand teori9,10. Bemærkelsesværdigt, finder vi, at excitation og kobling priser kan være udtrykt i målbare mængder, som kan tilgås ved at udføre vinkel - og polarisering-løst refleksivitet og fotoluminescens spektroskopi. Vi vil først skitsere af formulering og derefter beskrive instrumentation i detaljer. Denne tilgang er helt frekvens domæne baseret og det kræver ikke nogen tid-løst tilbehør såsom ultra-hurtig lasere og tid-korreleret enkelt-foton tællere, som er dyre og undertiden vanskeligt at gennemføre8, 11. vi forventer denne teknik for at være en nødvendig teknologi for bestemmelse af excitation og kobling mellem lys udledere og resonant hulrum.
SPMF i periodiske systemer er orienteret her. For en periodisk plasmonic system, hvor Bloch-lignende SPP'er kan genereres, end direkte excitations og emissioner, som er karakteriseret ved excitation effektivitet η og spontane emission sats ΓRasmussen, udledere kan blive ophidset af indgående SPP'er og henfald via udgående SPP'er. Med andre ord under resonans excitation, er indgående SPP'er genereret for at skabe stærke plasmonic felter, at energize udledere. Når udledere er ophidset, kan energi fra dem overføres til udgående SPP'er, som efterfølgende radiatively sprede til langt-ager, giver anledning til øget emission. De definerer SPMF. For simpel to-niveau udledere refererer excitation til øget overgangen af elektroner fra jorden til de glade stater emission defineres henfald af elektroner tilbage til jorden stater, ledsaget af photon emission ved bølgelængder defineret af energi forskellen mellem glade og jorden. Excitations- og betingelserne for SPMF er forpligtet til at opfylde den velkendte fase matchende ligning at ophidse den indgående og udgående SPP'er9
(1)
hvor εen og εm er de dielektriske konstanter af dielectrics og metal, θ og φ er de indfaldende og azimutale vinkler, P er perioden af matrixen, λ er excitation eller emission bølgelængde, og m og n er de heltal, der angiver rækkefølgen af SPP'er. For excitation, i flyet wavevector af laserstrålen bliver Bragg spredt til momentum match med de indgående SPP'er og θ og φ sammen definere den angivne hændelse konfiguration for spændende SPP'er hen til forøge den elektroniske absorption på den excitation bølgelængde λex. Ligeledes for emissionen bliver de afgående SPP'er omvendt Bragg spredt til at matche med linjen lys og vinkler udgør nu muligt emission kanaler på emission bølgelængde λem. Det skal imidlertid bemærkes, som udledere kan koble deres energi til vektorielt formeringsmaterialets SPP'er med 
der har samme størrelsesorden 
men forskellige retninger, SPP'er kan henfalde via forskellige kombination af (m, n) til langt-ager følgende Eq. (1).
Ved hjælp af sats ligning model og tidsmæssige koblede tilstand teori (CMT), vi finder, at excitation sats Γex, dvs energi overførselshastigheden fra SPP'er til udledere, kan udtrykkes som9,12,13
(2)
hvor η er den førnævnte direkte excitation sats i mangel af de indgående SPP'er, Γtot er den samlede henfaldet af de indgående SPP'er 
Γabs og Γrad er den ohmske absorption og radiative henfald satser af SPP'er, og 
er fotoluminescens power forholdet med og uden de indgående SPP'er. På den anden side kan koblingen sats Γc, dvs energi overførselshastigheden fra udledere til SPP'er, skrives som:
(3)
hvor ΓRasmussen er den direkte emission sats, 
er fotoluminescens power forholdet mellem αth SPP medieret forfald og direkte porte, og Γradα og Γtot er radiative henfald priser for havnens αth og de samlede henfald priser. Vi vil se, at mens alle SPP henfald priser kan måles af refleksionsevne spektroskopi, magtforholdene emission kan bestemmes ved fotoluminescens spektroskopi. Nærmere oplysninger om formuleringer kan findes i henvisning9,10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. opsætning af interferens litografi
Bemærk: Indblanding litografi bruges til at fabrikere de periodiske arrays12. Den skematiske setup, er som er vist i figur 1, opbygget som følger:
- Fokusere den 325 nm laser fra en HeCd multimode laser til en 13 X UV mål linse og pass det gennem en 50 μm pinhole baseret fysisk filter for rengøring-tilstand.
- Placer to 2,5 cm diameter iris 30 cm fra hinanden for at yderligere filtrere den centrale region af divergerende lys. Efter den anden iris, lysbundtets diameter er lig med 2,5 cm og øger meget langsomt med afstand, der er < 3 cm i 1 m afstand fra den anden iris. Lyset antages at være næsten kollimeret.
Bemærk: Output fra anden iris bør være ensartet, når kontrolleres af nøgne øjne. - Styre kollimeres strålen til en Lloyd spejl interferometer. Lloyds installationsprogrammet indeholder en prisme-baserede prøveholderen og en 5,04 cm spejl placeret vinkelret på den. De direkte og reflekteret illuminations skabe sammen en stabil stående bølge langs prøveoverfladen for mønstre. Prisme fungerer som en antireflection enhed.
Bemærk: Den stående bølge periode P kan skrives som:
, hvor λ = 325 nm og α er den indfaldende vinkel med hensyn til prøven normal, som er vist i figur 1. Den hændelse vinkel kan indstilles ved at dreje Lloyd's setup.
, hvor λ = 325 nm og α er den indfaldende vinkel med hensyn til prøven normal, som er vist i figur 1. Den hændelse vinkel kan indstilles ved at dreje Lloyd's setup.2. periodisk Array forberedelse
Bemærk: Prøven er udarbejdet i henhold til den normale procedure, som producenten foreslået. Alle procedurer udføres ved stuetemperatur.
- Bruge en 1 cm2 glas substrat. Rent glas med methanol og acetone i 10 min i et ultralydsbad og derefter pre bage det på en varmeplade ved 200 ° C i 1 time at fjerne snavs.
- Spin-coat glas substrat med en 5 nm tykke friktion lag og en 100 nm tykke negative SU-8 photoresist med en to-trins spin-coater.
- Fortynd SU-8 photoresist med Gamma-butyrolacton i et forhold på 1:5 (v/v), således at tykkelsen kan kontrolleres tæt på 100 nm efter spin-coating.
- Dispensere vedhæftning løsning på glas substrat og spin på 600 rpm i 10 s og 3600 rpm i 1 minut, 3-5 dråber, (0,2 mL) fortløbende.
- Gentag trin 2.2.2 med 5-7 (0,3 mL) dråber fortyndet SU-8 fra trin 2.2.1 med samme hastighed.
Bemærk: Friktion lag forbedrer vedhæftningen mellem glas substrat og photoresist, så photoresist ikke ville skrælle under udvikling. Tykkelsen af laget SU-8 er kontrolleret af koncentrationen og hastigheden af spin-coater.
- Prebake prøve på 65 ° C og 95 ° C kogeplader i 1 minut. Ovne er ikke anbefalet her.
- Overføre prøven til prisme i interferometeret. Tilføj en dråbe af brydningsindekset matchende olie (n = 1.45) vedhæfte prøve på prismet. Placere den så tæt på spejlet som muligt.
Bemærk: Eksemplet er fastgjort på prisme overflade på grund af overfladespænding af olien. Brydningsindeks af olie er valgt til at være den samme som prisme og glas substrat at fjerne tilbage refleksion fra indblanding. - For en to-dimensionel firkantet gitter, udsætte prøven to gange med samme eksponeringstid men ortogonale retninger; det vil sige udsætte prøven og derefter rotere det 90° for anden eksponering. Når photoresist er udsat for en 325 nm lys, det krydsbindinger og kan ikke opløses af SU-8 udvikleren.
Bemærk: Diameter D af array kan styres ved at justere eksponeringstiden. - Hårdt bage prøve på 65 ° C og 95 ° C i 2 min til at forhindre filmen revner.
- Fordyb hele prøven i udvikler i 2 min. med kontinuerlig agitation at opløse det eksponerede område.
- Fordyb prøven i isopropylalkohol i 1 min. Skyl residualerne og derefter tørre det med trykluft. En nanohole array er derefter fremstillet.
3. gold filmen Deposition og lys Emitter belægning
- Tillægge prøveholderen af radio-frekvens magnetron sputtering deposition system med dobbeltklæbende tape for Au filmen deposition prøven.
- Pumpe ned i salen til en 2 x 10-6 Torr base pres ved hjælp af en turbomolecular pumpe og derefter tilbage fylde det med 6 x 10-3 Torr ultrahøj renhed Ar gas.
- Brug en 5 cm diameter 99,9% Au mål og placere en lukker mellem prøven og målet. Brug lavt strømforbrug (50 W) til at reducere deposition sats og den overfladeruhed. Med lukkeren lukket, pre sputter målet for 10 min til at fjerne snavs.
- Åbn lukkeren for at behandle aflejring ved stuetemperatur i 20 min. Filmtykkelse 100 nm lejrer rutinemæssigt for at sikre, at plasmonic systemet er optisk tyk med ingen transmission.
- Når prøven er klar, spin-coat lysemitterende materialer såsom organiske farvestoffer eller quantum dots på metallets overflade til at danne et tyndt lag af dielectrics.
- Styryl 8 farvestoffet anvendes i henvisning9, opløse 20 µg for styryl 8 og 500 µg polyvinylalkohol polymer (PVA) i 5 mL methanol.
- Give afkald på 3-5 dråber (0,2 mL) af farvestof løsning på prøve og spin på 600 rpm i 10 s og 3600 rpm i 1 minut efter hinanden. Tykkelsen er anslået til at være 80 nm.
Bemærk: Vand opløselige eller uopløselige polymer kan bruges som forankring materiale afhængigt af udsender materiale. Polymeren bør dog ikke-emissive så at det ikke ville blande med fotoluminescens målinger. Polyvinylalkohol polymer (PVA) anbefales til opløse vandopløselige farvestoffer såsom rodamin 6 G og styryl 8.
4. refleksionsevne målinger til bestemmelse af SPP henfald priser
Bemærk: Løst polarisering og vinkel refleksionsevne spektroskopi setup er vist i figur 2. Det består af en goniometer med tre rotation faser for uafhængigt skiftende prøve orientering (etape 1) og detekteringsvinklen (fase 2) samt prøve azimutale vinkel (fase 3).
- Bruge en bredbånd hvidt lys fra et quartz lampe som lyskilde. Første par den til en multimode fiber bundt og derefter collimate det af et par af kolineære face-to-face målet linser (5 X og 60 X). Belyse lysstrålen på prøve i forskellige hændelse vinkler ved at ændre prøve orientering. Sted et par hændelse polarisator og påvisning analyzer før og efter prøven for polarisering-afhængige målinger.
Bemærk: Ansigt til ansigt mål fungere som en linsesystem, der collimates og udvider den hvide lyskilde fra multimode fiber. - Brug en multimode fiber til at indsamle den spektakulære refleksion fra prøven, som er tilsluttet et spektrometer og en CCD-detektor for spektroskopi.
- Justere opsætningen omhyggeligt for at sikre både prøve orientering fase og påvisning rotation faser er koncentrisk, dvs., deres rotation akser er kolineære.
- Kalibrere opsætningen af med en flade Au film. Måle refleksion spektre i forskellige hændelse vinkler og sammenligne dem med de teoretiske overvejelser spektre beregnet af Fresnel ligninger ved hjælp af en kendt Au dielektrisk funktion. De to sæt af data bør være i overensstemmelse med mindre end 5% af fejl.
- Når installationsprogrammet er klar, måle lineært polariseret, p eller s, refleksion spektrene for på forskellige hændelse vinkler. Trin størrelse af den hændelse vinkel er 0,5 ° og bølgelængde opløsning er 0.66 nm. For at indsamle spectra under flere hændelse vinkler, skrives et kontrolprogram for automatiseringen inklusive mekaniske bevægelse, lukkertid kontrol, dataopsamling, baggrund subtraktion, osv.
Bemærk: Dette trin er gjort beregningsmæssigt. Programmet er til rådighed efter anmodning. Behage sende en email til den tilsvarende forfatteren til kildekoden hvis nødvendigt. - Contour plot refleksionsevne vs bølgelængde og hændelsen vinkel at opnå relationen spredning af det plasmonic system for mode identifikation og henfald sats bestemmelse.
Bemærk: Prøve azimutale vinkel er at finde position i zonen Brillouin. For eksempel, for firkantet gitter prøve, rotere prøven azimuthally så en af sine perioder er parallel med den hændelse fly og dette definerer Γ-X retning. Rotere prøven ved 45° at definere retningen Γ-M. - Hvis hændelsen polariseret er indstillet på 45° med hensyn til den hændelse fly og analyseenheden er-45 °, måle ortogonale eller cross-polariseret, refleksionsevne kortlægning.
- Uddrag p-polariseret og ortogonale refleksion spectra og passe dem ved hjælp af CMT9,12,13, som beskrevet i diskussionen til medlemsstaten nedsættelsessatser, henfald af SPP'er.
5. fotoluminescens målinger til bestemmelse af Emission Power forholdet
Bemærk: Vinkel - og polarisering-løst fotoluminescens setup er vist i figur 3.
- Erstatte den broadband lyskilde med 514 nm argon ion eller 633 nm HeNe laser. Bruge en laser linje filter med en fuld bredde halv maksimum (FWHM) mindre end 5 nm ren laser spektralt og placere et halvt-bølge plade for at kontrollere tilstanden polarisering af laserstrålen. Vinkelmåleren og påvisning enhed forbliver uændret. Placer et hak filter før afsløring enhed fjerne laser linje, som begraver luminescence.
Bemærk: Bølgelængden af laser afhænger af typen af udsender materialer. Højere photon Energi er forpligtet til at ophidse materiale med kortere emission bølgelængde. - For at måle emissioner effekt forhold for Eq. (2) & (3), udføre to typer målinger: påvisning og hændelse scanninger. Samspillet mellem de hændelse og påvisning scanner hjælpe bestemme
, 
, 
, og 
. - For hændelse scan, varierer den hændelse vinkel løbende men fix detekteringsvinklen med hensyn til den normale prøve.
Bemærk: Dette trin er gjort beregningsmæssigt. Denne konfiguration ophidser selektivt de indgående SPP'er, som hændelsen vinkel afhængige, mens overvågningen variation af emissioner under den valgte detekteringsvinklen. Med andre ord, øger emission når hændelsen vinkel opfylder fase matchende ligning i Eq. (1).- Contour plot fotoluminescens spektre mod bølgelængde og den indfaldende vinkel for hændelse scan kortlægning. Måle tilknytningerne for registrering af forskellige vinkler, men de relative intensiteter er fundet det samme. Derfor, den hændelse scan sonder effekten af de indgående SPP'er på emissionen eller blot excitation ekstraudstyr, som gør det muligt at måle og .
- Contour plot fotoluminescens spektre mod bølgelængde og den indfaldende vinkel for hændelse scan kortlægning. Måle tilknytningerne for registrering af forskellige vinkler, men de relative intensiteter er fundet det samme. Derfor, den hændelse scan sonder effekten af de indgående SPP'er på emissionen eller blot excitation ekstraudstyr, som gør det muligt at måle
- For detektion scan, fix hændelse vinklen med hensyn til den normale prøve men varierer detekteringsvinklen.
Bemærk: Dette trin er gjort beregningsmæssigt.- På samme måde, plot kontur fotoluminescens spektre med bølgelængde og påvisning vinkel udbytter påvisning Skan kortlægning. Takt SPP emission fra stråling dæmpning af SPP'er, er emission stærkt detekteringsvinklen afhængige. Derfor, under konstant magnetisering, emission øger når detekteringsvinklen opfylder Eq. (1). Denne konfiguration sonder emission ekstraudstyr og giver mulighed for at bestemme for forskellige αth bestille så længe det har veldefinerede påvisning vinkel afhængighed.
- På samme måde, plot kontur fotoluminescens spektre med bølgelængde og påvisning vinkel udbytter påvisning Skan kortlægning. Takt SPP emission fra stråling dæmpning af SPP'er, er emission stærkt detekteringsvinklen afhængige. Derfor, under konstant magnetisering, emission øger når detekteringsvinklen opfylder Eq. (1). Denne konfiguration sonder emission ekstraudstyr og giver mulighed for at bestemme
, 
, 
, og 
.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Et eksempel på en Au periodiske matrix er givet i figur 4a8justering. Fly se SEM billede viser, at prøven er en 2D firkantet gitter cirkelformet hul array med en periode på 510 nm, hul dybde 280 nm og en huldiameter på 140 nm. P-polariseret refleksionsevne kortlægning taget langs Γ-X retning er vist i figur 4a. Streg-linje beregnes af fase matchende ligning Eq. (1) angiver, at (m = -1, n = 0) SPP'er er glade.
Når polarisator og analyzer er indstillet på ortogonale positioner, vist den tilsvarende refleksionsevne kortlægning i figur 4b. Vi ser, at tilknytningen er næsten identisk med den lineære polariseret kortlægning bortset fra baggrunden bliver nu nul som ikke-resonant refleksion er fjernet af analyzer. Derudover er refleksionsevne profiler ændret fra dips til toppe som kun SPP stråling dæmpning resterne efter fjernelse af baggrunden.
Faktisk er dispersion forholdet et godt redskab til at studere SPMF. Forudsat at laser excitation bølgelængde er 700 nm, indgående SPP'er genereres på en 19° hændelsen vinkel, og de vil interagere med udledere, hvis deres absorption band matcher. På den anden side SPP emissioner vil blive fundet i en 23° hændelsen vinkel Hvis emissionen sker på 730 nm. Derfor tillade SPP resonanser os at ophidse de indgående SPP'er for excitation ekstraudstyr og til at finde de udgående SPP'er for emission ekstraudstyr.
Vi spin frakke CdSeTe quantum dots doteret PVA polymer matrix10. Figur 5a & 5b vise p-polariseret og ortogonale refleksionsevne kortlægning taget langs den langs Γ-X retning, viser den (-1,0). Figur 5 c & 5 d viser de tilsvarende fotoluminescens hændelse og påvisning Skan tilknytninger taget på opdagelse og hændelse vinkler 0 ° og 0 °, henholdsvis. Den laser bølgelængde λex er 633 nm. I virkeligheden, i overensstemmelse med refleksionsevne kortlægning, ser vi at stærk emission forekommer en hændelse vinkel på 18,5 ° hvor indgående (-1,0) SPP'er er glade. På den anden side fra detektion scan kontrollerer stærk ligheden mellem refleksionsevne og fotoluminescens, at emissionerne er forbedret, når de udgående SPP'er er glade.
Bestemmelse af excitation og kobling satser kræver SPP henfald priser og fotoluminescens magt nøgletal10. For at bestemme henfald satserne på 633 nm langs Γ-X retning, p-polariseret og ortogonale refleksionsevne spectra udvundet fra figur 5a og 5b er vist i figur 6a. Den p-polariseret spektrum viser en Fano-lignende profil, der kan beskrives som 
, hvorp er nonresonant refleksionsevne og ωSPP er resonant photon Energi, hvorimod den ortogonale modstykke følger 
, udstillende en Lorentzian lineshape12. De er så bedst udstyret og samlede og radiative henfald satser, Γtot og Γrad, 95.08 og 27.15 meV (med h).
På den anden side er fotoluminescens effekt forhold fremstillet som følger. Fra den hændelse scanning i figur 5 c, emission profil på emission bølgelængde λem = 690 nm, hvor den direkte emission lokaliserer, er udvundet i fig. 6b. Magtforholdene 
, som er defineret som den direkte emission med og uden de indgående SPP'er, simpelthen er intensiteten på 18,5 ° divideret med den flade baggrund (6.896). 
bestemmes derefter skal 574.04 meV.
På den anden side er koblingen sats emission bølgelængde afhængige. Emission bølgelængde på 690 nm vælges som et eksempel. De samlede og radiative henfald satser, Γtot og Γrad, er 60.06 og 17.12 meV (med h), henholdsvis. Påvisning scanningsprofil er udvundet fra figur 5 d og vises i figur 6 c. Magtforholdene 
er defineret som den (-1,0) SPP emission divideret med halv-plads direkte emission under forudsætning af at prøven har ingen transmission. Da detektoren dækker en rumvinkel ΔΩ ~ π3/7202 sr, for en Lambertian overflade, 
, hvor b følger baggrund i figur 6 c som 
. På den anden side den 
er givet som den højeste profil divideret med ΔΩ. Som et resultat, 
er fundet for at være 0.805.
Figur 1 . Skematisk af interferens litografi. En 325 nm laserlys fokus gennem en fysisk filter og derefter er belyst på en Lloyd spejl interferometer hvor prøven er placeret. Stående bølge former langs prøveoverfladen for eksponering. Indsatser: skemaer af visningen top og side af prøven færdig i afsnit 2. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 . Løst polarisering og vinkel refleksionsevne spektroskopi. (en) skemaer af løst polarisering og vinkel refleksionsevne spektroskopi. Tre rotation faser bruges til at konstruere goniometer. En multimode fiber kombineret spektrometret og CCD detektoren bruges til påvisning. En bredbånd hvid lyskilde bruges til reflektion målinger. (b) virkelige billede af den største del (sort streg boks i (en)) af løst polarisering og vinkel refleksionsevne spektroskopi. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Skemaer af løst polarisering og vinkel fotoluminescens spektroskopi. En 514 eller 633 nm laser bruges til fotoluminescens. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 . Refleksivitet tilknytninger og udledes henfald satser. (en) p-polariseret refleksionsevne kortlægning af en Au array taget langs Γ-X retning. Streg-linje beregnes ved hjælp af fase matchende ligning, viser (-1,0) SPP'er er glade på forskellige bølgelængder. Indsatser: den fly-se SEM billede af matrixen. (b) tilsvarende ortogonale refleksionsevne kortlægning viser at baggrunden er nulled og refleksionsevne dips nu blive toppe. (c) plot af Γtot og Γrad som en funktion af bølgelængden. Resultaterne er gengivet fra reference9. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5 . Refleksivitet, hændelse og påvisning Skan tilknytninger af arrayet belagt med CdSeTe quantum dots taget langs Γ-X retning. (En) p-polariseret og (b) ortogonale refleksionsevne tilknytninger og tilsvarende fotoluminescens (c) hændelse og (d) påvisning scanner tilknytninger taget på opdagelse og hændelsen vinkel = 0 ° og 0 °, henholdsvis. Den laser bølgelængde λex er 633 nm. Resultaterne er gengivet fra reference10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 . Repræsentative reflektivitetsmaalingerne, hændelse og påvisning scanner profil. (en) p-polariseret og ortogonale refleksionsevne spektre samt de bedste passer til bestemmelse af Γtot og Γrad på 633 nm. (b) den udpakkede (b) hændelse og (c) påvisning scanningsprofiler. Resultaterne er gengivet fra reference10. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne protokol er der flere kritiske trin. Første, mekanisk stabilitet er afgørende for prøveforberedelse. Stående bølge genereret af Lloyd's setup er følsomme over for fase forskellen mellem to belysning bjælker. Derfor vil eventuelle vibrationer under eksponeringstiden nedbrydes ensartethed og kant skarphed af nanohole. Det anbefales stærkt at operere i et vibrationsfrit miljø, f.eks., en optisk tabel med vibration isolation understøtter. Desuden er høj effekt laser også ønskede at minimere vibrationer, da det reducerer eksponeringstid i overensstemmelse hermed. For det andet skal i skridt 1.1 pinhole vælges korrekt. Hul-størrelse skal være lille nok til at udføre tilstand rengøring på den ene side og stadig stor nok til at overføre tilstrækkelig strøm for eksponering på anden siden. Vi anbefaler en 50 μm pinhole og 13 X mål for HeCd multimode laser. For det tredje skal det bemærkes at figuren Lorentzian linje af ortogonale refleksivitet er gyldig når erp≈ Rasmussens, hvor erp og rs er ikke-resonant reflektion for p - og s-polariseret belysning12. Men for en nanohole array med forbigående hændelse vinkel eller nogle anisotrope metamaterialer, forskellen mellem rp og rs ikke kan ignoreres og den resulterende refleksionsevne udbytter 
, giver anledning til Fano lineshape.
I Resumé beskriver denne protokol en metode til at bestemme excitation og kobling mellem lys udledere og SPP'er fra 2D metallisk periodiske arrays. Hastigheden måles ved løst vinkel og polarisering refleksivitet og fotoluminescens spektroskopi, som begge er frekvens domæne teknikker. Sammenlignet med konventionelle tidsopløst teknikker, denne metode ikke blot adskiller de excitation og forfald processer af SPMF, som ikke anses for i de fleste fluorescens enhancement undersøgelser, men også bestemmer kobling satser af lys udledere til forskellige SPP tilstande. Som tidsopløst teknikker kun måle den samlede levetid for en lys emitter og er i stand til at identificere bidragene fra forskellige resonant tilstande, ville vores metode helt sikkert tilføje værdi til dette felt, især når lys udledere placeres i en kompleks resonans system. En periodisk plasmonic ordning, 
tilstand har en veldefineret henfald retning, mens direkte emissionsbegrænsende antages for at være isotropic. Deres forskelle i emissionerne retning giver anledning til identifikationen tilstand. Retningsbestemt emission er en universel adfærd i nanomaterialer, kan sådan differentiering let udvides til andre resonant systemer som metamaterialer og fotoniske krystaller. Vi forventer denne teknik for at være en nødvendig teknologi for at studere fluorescens enhancement mellem lys udledere og resonant hulrum.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de har ingen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af den kinesiske University of Hong Kong gennem de direkte tilskud 4053077 og 4441179, RGC konkurrencedygtige øremærket forskningsbevillinger, 402812 og 14304314, og område af ekspertise AoE/P-02/12.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Okamoto, K., et al. Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells. Nature Materials. 3 (9), 601-605 (2004).
- Akselrod, G. M., et al. Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors. Nano Letters. 15 (5), 3578-3584 (2015).
- Gontijo, I., et al. Coupling of InGaN quantum-well photoluminescence to silver surface plasmons. Physical Review B. 60 (16), 11564 (1999).
- Huang, K. C. Y., et al. Antenna electrodes for controlling electroluminescence. Nature Communications. 3, 1005 (2012).
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature Materials. 9 (3), 205-213 (2010).
- Anker, J. N., et al. Biosensing with plasmonic nanosensors. Nature Materials. 7 (6), 442-453 (2008).
- Chen, Y., et al. Excitation enhancement of CdSe quantum dots by single metal nanoparticles. Applied Physics Letters. 93 (5), 053106 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Haus, H. A. Waves and Fields in Optoelectronics. , Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J. (1984).
