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Engineering

प्रकाश उत्सर्जक और सतह Plasmon Polaritons के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण

Published: July 21, 2018 doi: 10.3791/56735
Automatic Translation
1,2, 2, 2
1State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies and Guangdong Province Key Laboratory of Display Material and Technology, School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, 2Department of Physics, The Chinese University of Hong Kong

Summary

इस प्रोटोकॉल उत्तेजना और प्रकाश उत्सर्जक और Bloch की तरह सतह plasmon polaritons आवधिक arrays से उत्पंन होने के बीच युग्मन दरों का निर्धारण करने के लिए उपकरण का वर्णन ।

Abstract

हम प्रकाश उत्सर्जक और सतह plasmon polaritons के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों को मापने के लिए एक अनूठा तरीका विकसित किया है (SPPs) समय का समाधान तकनीक को शामिल किए बिना धातु आवधिक arrays से उत्पंन । हम मात्रा है कि सरल ऑप्टिकल माप से मापा जा सकता है द्वारा दरों तैयार की है । कोण-और ध्रुवीकरण पर आधारित कर्मशाला-हल भावना और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी का वर्णन यहाँ विस्तार से किया जाएगा. हमारे दृष्टिकोण अपनी सादगी के कारण पेचीदा है, जो नियमित प्रकाशिकी और कई यांत्रिक चरणों की आवश्यकता है, और इस प्रकार बहुत अनुसंधान प्रयोगशालाओं के लिए सस्ती है ।

Introduction

भूतल plasmon मध्यस्थता प्रतिदीप्ति (SPMF) काफी ध्यान हाल ही में प्राप्त किया है1,2,3,4,5,6. जब प्रकाश उत्सर्जक एक plasmonic प्रणाली के करीब निकटता में रखा जाता है, ऊर्जा उत्सर्जक और सतह plasmon polaritons (SPPs) के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है । सामांय में, मजबूत plasmonic क्षेत्रों दृढ़ता से2उत्सर्जक के उत्तेजना में वृद्धि कर सकते हैं । इसके साथ ही, SPPs द्वारा बनाए गए बड़े घनत्व वाले राज्यों की वजह से उत्सर्जन दर भी बढ़ जाती है, जो अच्छी तरह से ज्ञात Purcell प्रभाव3उपज है । इन दो प्रक्रियाओं SPMF उत्पादन में हाथ में हाथ काम करते हैं । के रूप में SPMF ठोस राज्य प्रकाश1,4, ऊर्जा संचयन5, और जैव पहचान6में कई आवेदनों को उत्तेजित किया है, यह गहन जांच के तहत वर्तमान में है । विशेष रूप से, SPPs से उत्सर्जकों के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर का ज्ञान और इसके विपरीत, यानी, उत्तेजना और युग्मन दरों, बहुत महत्व का है । हालांकि, उत्तेजना और उत्सर्जन प्रक्रियाओं को आम तौर पर एक साथ उलझ रहे हैं, इस पहलू पर अध्ययन अभी भी कमी है । उदाहरण के लिए, अध्ययन के सबसे केवल उत्तेजना क्षमता अनुपात है, जो बस के साथ और7SPPs बिना उत्सर्जन की तुलना का निर्धारण । उत्तेजना दर की सही माप अभी भी गायब है । दूसरी ओर, पारंपरिक समय हल तकनीक जैसे प्रतिदीप्ति लाइफटाइम स्पेक्ट्रोस्कोपी उत्सर्जन प्रक्रिया की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए नियमित रूप से इस्तेमाल कर रहे हैं, लेकिन वे कुल क्षय दर8से युग्मन दर अलग करने में असमर्थ हैं । यहां, हम वर्णन कैसे एक उंहें दर समीकरण मॉडल और लौकिक युग्मित मोड थ्योरी9,10के संयोजन के द्वारा निर्धारित कर सकते हैं । उल्लेखनीय है, हम पाते है कि उत्तेजना और युग्मन दरों को मापने योग्य मात्रा के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है, जो कोण प्रदर्शन और ध्रुवीकरण-हल भावना और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा पहुंचा जा सकता है । हम पहले निर्माण की रूपरेखा और फिर विस्तार में इंस्ट्रूमेंटेशन का वर्णन करेंगे । इस दृष्टिकोण पूरी तरह से आवृत्ति डोमेन आधारित है और यह किसी भी समय की आवश्यकता नहीं है-हल सामान जैसे अल्ट्रा-फास्ट पराबैंगनीकिरण और समय-संबंधित एकल-फोटॉन काउंटर, जो महंगे हैं और कभी-कभार8को कार्यान्वित करना मुश्किल है, 11. हम इस तकनीक की आशा है कि प्रकाश उत्सर्जक और गुंजयमान गुहाओं के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण करने के लिए एक सक्षम प्रौद्योगिकी हो ।

आवधिक प्रणालियों में SPMF यहां संक्षिप्त है । एक आवर्ती plasmonic प्रणाली के लिए जहां Bloch की तरह SPPs उत्पन्न किया जा सकता है, अन्य प्रत्यक्ष उत्तेजना और उत्सर्जन के अलावा, जो उत्तेजना दक्षता η और सहज उत्सर्जन दर Γआरकी विशेषता होती है, उत्सर्जक आने वाले SPPs से उत्तेजित हो सकते हैं और निवर्तमान SPPs के द्वारा क्षय । दूसरे शब्दों में, अनुनाद उत्तेजना के तहत, आवक SPPs मजबूत plasmonic क्षेत्रों बनाने के लिए उत्पन्न कर रहे हैं कि उत्सर्जक energizers. एक बार उत्सर्जक उत्तेजित हो जाते हैं, उनमें से ऊर्जा निवर्तमान SPPs, जो बाद में radiatively दूर करने के लिए अपव्यय को हस्तांतरित किया जा सकता है क्षेत्र, बढ़ाया उत्सर्जन को जंम दे रही है । वे SPMF को परिभाषित करते हैं । सरल दो स्तर उत्सर्जन के लिए, उत्तेजना जमीन से इलेक्ट्रॉनों की वृद्धि हुई संक्रमण को संदर्भित करता है उत्साहित राज्यों के लिए, जबकि उत्सर्जन भूमि राज्यों को वापस इलेक्ट्रॉनों के क्षय को परिभाषित, तरंग दैर्ध्य में फोटॉन उत्सर्जन के साथ उत्तेजित और जमीन राज्यों के बीच ऊर्जा के अंतर से । SPMF के लिए उत्तेजना और उत्सर्जन शर्तों को पूरा करने के लिए आवश्यक है प्रसिद्ध चरण मिलान समीकरण को उत्तेजित करने के लिए आने वाली और निवर्तमान SPPs9

Equation 11

जहां εए और εएम dielectrics के अचालक स्थिरांक होते हैं और मेटल, θ और φ हादसे होते हैं और azimuthal कोण होते हैं, P सरणी की अवधि होती है, λ उत्तेजना या उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य होता है, और m और n के क्रम को निर्दिष्ट करने वाले पूर्णांक होते हैं SPPs । उत्तेजना के लिए, लेजर बीम के विमान wavevector में डींग मारने के लिए आने वाली SPPs और θ और φ के साथ मैच गति बिखरे हुए एक साथ रोमांचक SPPs में इलेक्ट्रॉनिक अवशोषण को बढ़ाने के लिए निर्दिष्ट घटना विंयास परिभाषित उत्तेजना तरंगता λमाजी. इसी तरह, उत्सर्जन के लिए, निवर्तमान SPPs रिवर्स डींग प्रकाश लाइन और कोण अब उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य λउंहेंपर संभव उत्सर्जन चैनलों का प्रतिनिधित्व के साथ मैच बिखरे हुए होगा । हालांकि, यह उल्लेख किया है कि के रूप में उत्सर्जक कर सकते हैं अपनी ऊर्जा के साथ Equation 2 वैक्टर प्रचार SPPs कि एक ही परिमाण Equation 3 लेकिन अलग दिशाओं है, SPPs विभिन्न संयोजन के माध्यम से क्षय कर सकते हैं (एम, एन) के लिए दूर-क्षेत्र निम्नलिखित Eq. (1).

दर समीकरण मॉडल और लौकिक युग्मित मोड सिद्धांत (CMT) का उपयोग करके, हम पाते है कि उत्तेजना दर Γपूर्व, यानी, SPPs से उत्सर्जन करने के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर,9,12,13 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

Equation 42

जहां η आने वाले SPPs के अभाव में aforementioned प्रत्यक्ष उत्तेजना दर है, Γमुन्ना आने वाले SPPs Equation 5 की कुल क्षय दर है जिसमें Γएबीएस और Γराड Ohmic के अवशोषण और विकीर्ण क्षय की दरें हैं, और Equation 6 के साथ और बिना आवक SPPs के photoluminescence शक्ति अनुपात है । दूसरी ओर, युग्मन दर Γसी, यानी, उत्सर्जकों से SPPs के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर, के रूप में लिखा जा सकता है:

Equation 73

जहां Γr प्रत्यक्ष उत्सर्जन दर Equation 8 है, αगु एसपीपी मध्यस्थता क्षय और प्रत्यक्ष बंदरगाहों के बीच photoluminescence शक्ति अनुपात है, और Γरेड α और Γमुन्ना αवें बंदरगाह के लिए विकीर्ण क्षय दर हैं और कुल क्षय दर । हम देखेंगे कि जबकि सभी एसपीपी क्षय दर भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा मापा जा सकता है, उत्सर्जन शक्ति अनुपात photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा निर्धारित किया जा सकता है । योगों का ब्यौरा9,10संदर्भ में पाया जा सकता है ।

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Protocol

1. हस्तक्षेप के सेटअप लिथोग्राफी

नोट: हस्तक्षेप लिथोग्राफी आवर्ती सरणियों12बनाना करने के लिए उपयोग किया जाता है । योजनाबद्ध सेटअप, जैसा चित्र 1में दिखाया गया है, निम्नानुसार बनाया गया है:

  1. एक HeCd बहुपद्वति लेजर से एक 13X यूवी उद्देश्य लेंस के लिए ३२५ एनएम लेजर फोकस और यह मोड सफाई के लिए एक ५० माइक्रोन pinhole आधारित स्थानिक फिल्टर के माध्यम से पारित ।
  2. जगह दो २.५ cm व्यास आईरिस 30 सेमी अलग करने के लिए हट जाना प्रकाश के मध्य क्षेत्र फिल्टर । दूसरे आइरिस के बाद, बीम व्यास २.५ सेमी के बराबर होता है और दूरी के साथ बहुत धीरे से बढ़ता है, जो कि दूसरे आइरिस से 1 मीटर की दूरी पर < 3 सेमी है । प्रकाश को लगभग collimated माना जाता है.
    नोट: दूसरी आईरिस से उत्पादन वर्दी जब नग्न आंखों द्वारा जांच की जानी चाहिए ।
  3. collimated बीम को एक लॉयड के आईने इंटरफेरोमीटर में बिजनस करें । लॉयड सेटअप एक चश्मे आधारित नमूना धारक और एक ५.०४ सेमी यह सीधा तैनात दर्पण होता है । प्रत्यक्ष और प्रतिबिंबित रोशनी एक साथ पैटर्न के लिए नमूना सतह के साथ एक स्थिर खड़े लहर बनाने के लिए । चश्मे एक antireflection डिवाइस के रूप में कार्य करता है ।
    नोट: अवधि खड़ी लहर के रूप में लिखा जा सकता है: Equation 9 , जहां λ = ३२५ एनएम और α नमूना सामांय के संबंध में घटना कोण है, के रूप में चित्र 1में दिखाया गया है । घटना कोण लॉयड के सेटअप घूर्णन द्वारा देखते किया जा सकता है ।

2. आवधिक सरणी तैयारी

नोट: नमूना निर्माता द्वारा सुझाए गए मानक प्रक्रिया के अंतर्गत तैयार किया जाता है । सभी प्रक्रियाओं कमरे के तापमान पर प्रदर्शन कर रहे हैं ।

  1. एक 1 सेमी2 ग्लास सब्सट्रेट का प्रयोग करें । एक अल्ट्रासोनिक स्नान में 10 मिनट प्रत्येक के लिए मेथनॉल और एसीटोन के साथ कांच साफ और फिर पूर्व इसे २०० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर 1 h के लिए गंदगी को दूर करने के लिए सेंकना ।
  2. स्पिन-कोट एक 5 एनएम मोटी आसंजन परत के साथ कांच सब्सट्रेट और एक १०० एनएम मोटी नकारात्मक एसयू-8 photoresist एक दो गति स्पिन-कोट के साथ ।
    1. 1:5 (v/v) के अनुपात में गामा-Butyrolactone के साथ एसयू-8 photoresist को पतला करें ताकि मोटाई को स्पिन-कोटिंग के बाद १०० एनएम के करीब नियंत्रित किया जा सके ।
    2. ग्लास सब्सट्रेट पर आसंजन समाधान के 3-5 बूंदें (०.२ एमएल) वितरण और 10 एस और ३६०० rpm के लिए 1 मिनट, लगातार के लिए ६०० rpm पर स्पिन ।
    3. दोहराएं 5-7 (०.३ एमएल) के साथ कदम -8 पतला की बूंदें और एक ही गति से 2.2.1 कदम से 8 ।
      नोट: आसंजन परत कांच सब्सट्रेट और photoresist के बीच आसंजन इतना है कि photoresist को विकसित करने के दौरान छील नहीं होगा में सुधार । सु-8 परत की मोटाई एकाग्रता और स्पिन-कोट की गति से नियंत्रित होती है ।
  3. 1 मिनट प्रत्येक के लिए ६५ ° c और ९५ ° c hotplates पर नमूना सेंकना । ओवन यहां की सिफारिश नहीं कर रहे हैं ।
  4. नमूना इंटरफेरोमीटर में चश्मे के लिए स्थानांतरण । नमूने को चश्मे पर अनुलग्न करने के लिए अपवर्तन सूचकांक मिलान तेल (एन = 1.45) की एक बूंद डालें । यह संभव के रूप में दर्पण के करीब के रूप में रखें ।
    नोट: नमूना तेल की सतह तनाव के कारण चश्मे की सतह पर जुड़ा हुआ है । तेल के अपवर्तन सूचकांक के लिए चश्मे और कांच सब्सट्रेट के रूप में एक ही होना चुना है हस्तक्षेप से वापस प्रतिबिंब को खत्म करने ।
  5. एक दो आयामी वर्ग जाली के लिए, नमूना एक ही जोखिम समय लेकिन ओर्थोगोनल दिशाओं के साथ दो बार बेनकाब; यही कारण है, नमूना बेनकाब और फिर यह दूसरा प्रदर्शन के लिए ९० ° से घुमाएगी । जब photoresist एक ३२५ एनएम प्रकाश के संपर्क में है, यह crosslinks और एसयू 8 डेवलपर द्वारा भंग नहीं किया जा सकता है ।
    नोट: सरणी के व्यास डी जोखिम समय का समायोजन करके नियंत्रित किया जा सकता है ।
  6. हार्ड ६५ डिग्री सेल्सियस और ९५ डिग्री सेल्सियस पर 2 मिनट के लिए नमूना सेंकना फिल्म खुर को रोकने के लिए ।
  7. उजागर क्षेत्र को भंग करने के लिए निरंतर आंदोलन के साथ 2 मिनट के लिए डेवलपर में पूरे नमूना विसर्जित कर दिया.
  8. अवशिष्टों कुल्ला करने के लिए 1 मिनट के लिए isopropyl शराब में नमूना विसर्जित कर दिया और फिर इसे संकुचित हवा के साथ सूखी । एक nanohole सरणी तो उत्पादन किया है ।

3. सोने की फिल्म जमाव और प्रकाश उत्सर्जक कोटिंग

  1. Au फिल्म जमाव के लिए डबल पक्षीय टेप के साथ रेडियो आवृत्ति magnetron sputtering जमाव प्रणाली के नमूने धारक को नमूना देते हैं ।
  2. एक 2x10-6 Torr बेस दबाव एक turbomolecular पंप का उपयोग कर और फिर वापस 6x10-3 Torr अल्ट्रा उच्च शुद्धता एआर गैस के साथ भरने के लिए चैंबर के नीचे पंप ।
  3. एक 5 cm व्यास ९९.९% Au लक्ष्य का उपयोग करें और नमूना और लक्ष्य के बीच एक शटर जगह है । कम शक्ति का उपयोग करें (५० डब्ल्यू) जमाव दर को कम करने के साथ ही सतह किसी न किसी । शटर बंद होने से पूर्व धूम ने गंदगी को दूर करने के लिए 10 मिनट का लक्ष्य रखा ।
  4. 20 मिनट के लिए कमरे के तापमान पर जमाव की प्रक्रिया के लिए शटर खोलो । १०० एनएम की एक फिल्म मोटाई नियमित रूप से plasmonic प्रणाली कोई संचरण के साथ ऑप्टिकली मोटी है कि यह सुनिश्चित करने के लिए जमा है ।
  5. नमूना तैयार है एक बार, स्पिन-कोट dielectrics की एक पतली परत बनाने के लिए धातु की सतह पर कार्बनिक रंजक या क्वांटम डॉट्स के रूप में प्रकाश उत्सर्जक सामग्री.
    1. संदर्भ9में इस्तेमाल किया styryl 8 डाई के लिए, polyvinyl के 5 मिलीलीटर में styryl 8 और ५०० µ जी के PVA अल्कोहल बहुलक (मेथनॉल) के 20 µ जी भंग ।
    2. नमूना पर डाई समाधान के 3-5 बूंदें (०.२ एमएल) वितरण और 10 एस और ३६०० rpm के लिए 1 मिनट के लिए लगातार ६०० rpm पर स्पिन । मोटाई ८० एनएम होने का अनुमान है ।
      नोट: पानी में घुलनशील या अघुलनशील पॉलिमर सामग्री उत्सर्जक के प्रकार के आधार पर एंकरिंग मटेरियल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । हालांकि, बहुलक गैर-छोड़नेवाला होना चाहिए ताकि यह photoluminescence माप के साथ हस्तक्षेप नहीं करेगा । Polyvinyl अल्कोहल पॉलिमर (PVA) rhodamine 6G और styryl 8 जैसे पानी में घुलनशील रंजक को भंग करने के लिए सिफारिश की है ।

4. एसपीपी क्षय दरों के निर्धारण के लिए भावना मापन

नोट: ध्रुवीकरण-और कोण हल भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी सेटअप चित्रा 2में दिखाया गया है । यह स्वतंत्र रूप से नमूना अभिविंयास (चरण 1) और पता लगाने के कोण (चरण 2) के रूप में के रूप में अच्छी तरह से नमूना azimuthal कोण (चरण 3) बदलने के लिए तीन रोटेशन चरणों के साथ एक goniometer के होते हैं ।

  1. प्रकाश स्रोत के रूप में एक क्वार्ट्ज लैंप से एक ब्रॉडबैंड सफेद प्रकाश का प्रयोग करें । पहले यह एक बहुपद्वति फाइबर बंडल करने के लिए जोड़ा और फिर यह collinear चेहरा करने वाली चेहरा उद्देश्य लेंस (5x और 60X) की एक जोड़ी द्वारा collimate । नमूना अभिविंयास बदलकर अलग घटना कोण पर नमूना पर प्रकाश बीम रोशन । ध्रुवीकरण-निर्भर माप के लिए नमूने के पहले और बाद में घटना ध्रुवर और पता लगाने विश्लेषक की एक जोड़ी प्लेस ।
    नोट: चेहरे के उद्देश्यों के लिए एक लेंस प्रणाली है कि collimates और बहुपद्वति फाइबर से सफेद प्रकाश स्रोत का विस्तार के रूप में कार्य का सामना करने के लिए ।
  2. नमूना है, जो एक स्पेक्ट्रोमीटर से जुड़ा है और स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक सीसीडी डिटेक्टर से specular प्रतिबिंब इकट्ठा करने के लिए एक बहुपद्वति फाइबर का प्रयोग करें ।
  3. सेटअप सावधानीपूर्वक संरेखित करें दोनों नमूना ओरिएंटेशन चरण सुनिश्चित करने के लिए और पता लगाना रोटेशन चरण, यानी, उनके रोटेशन अक्ष collinear हैं ।
  4. एक फ्लैट Au फिल्म के साथ सेटअप जांचना । अलग घटना कोण पर प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा को मापने और एक ज्ञात Au अचालक समारोह का उपयोग कर Fresnel समीकरणों द्वारा गणना की सैद्धांतिक प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा के साथ तुलना करें । डेटा के दो सेट त्रुटि के 5% से कम के साथ संगत होना चाहिए ।
  5. एक बार सेटअप के लिए तैयार है, अलग घटना कोण पर रैखिक ध्रुवीकरण, पी या एस, नमूने के प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा उपाय । घटना कोण के चरण आकार ०.५ ° है और तरंग दैर्ध्य संकल्प ०.६६ एनएम है । स्पेक्ट्रा कई घटना कोण के तहत इकट्ठा करने के लिए, एक नियंत्रण कार्यक्रम यांत्रिक गति, शटर नियंत्रण, डेटा अधिग्रहण, पृष्ठभूमि घटाव, आदिसहित स्वचालन के लिए लिखा है
    नोट: यह चरण गणना किया जाता है । कार्यक्रम अनुरोध पर उपलब्ध है । कृपया स्रोत कोड के लिए इसी लेखक को एक ईमेल भेजने के लिए अगर जरूरत थी ।
  6. समोच्च साजिश भावना बनाम तरंग दैर्ध्य और घटना कोण मोड पहचान और क्षय दर निर्धारण के लिए plasmonic प्रणाली के फैलाव संबंध प्राप्त करने के लिए ।
    नोट: नमूना azimuthal कोण Brillouin क्षेत्र में स्थिति का पता लगाने के लिए है । उदाहरण के लिए, वर्ग जाली नमूने के लिए, नमूना azimuthally को घुमाएं ताकि इसकी अवधि के एक घटना विमान के साथ समानांतर है और यह Γ-X दिशा को परिभाषित करता है । Γ-M दिशा को परिभाषित करने के लिए ४५ ° द्वारा नमूना घुमाएँ ।
  7. यदि घटना का ध्रुवीकरण घटना विमान के संबंध में ४५ डिग्री पर सेट है और विश्लेषक पर है-४५ °, ओर्थोगोनल उपाय, या पार-ध्रुवीकरण, भावना मानचित्रण ।
  8. पी-ध्रुवीकरण और ओर्थोगोनल प्रतिबिंब स्पेक्ट्रा निकालें और CMT9,12,13का उपयोग करके उन्हें फिट, SPPs के क्षय दरों का निर्धारण करने के लिए चर्चा में वर्णित के रूप में.

5. उत्सर्जन शक्ति अनुपात निर्धारित करने के लिए Photoluminescence मापन

नोट: कोण और ध्रुवीकरण-हल photoluminescence सेटअप चित्रा 3में दिखाया गया है ।

  1. ब्रॉडबैंड लाइट सोर्स को ५१४ एनएम आर्गन आयन या ६३३ एनएम HeNe लेजर से बदलें । एक पूरी चौड़ाई के साथ एक लेज़र लाइन फिल्टर का प्रयोग करें आधा अधिकतम (FWHM) से कम 5 एनएम लेजर वर्णक्रम को साफ करने के लिए और एक आधा लहर प्लेट लेजर बीम के ध्रुवीकरण राज्य को नियंत्रित करने के लिए जगह है । goniometer और पता लगाने इकाई अपरिवर्तित रहती है । लेजर लाइन को हटाने के लिए डिटेक्शन यूनिट से पहले एक पायदान फिल्टर लगाएं, जिससे luminescence को दफना दिया जाए ।
    नोट: लेजर तरंग दैर्ध्य सामग्री उत्सर्जक के प्रकार पर निर्भर करता है । उच्च फोटॉन ऊर्जा कम उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य के साथ सामग्री को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक है ।
  2. Eq के लिए उत्सर्जन शक्ति अनुपात को मापने के लिए. (2) & (3), माप के दो प्रकार के आचरण: पता लगाने और घटना स्कैन करता है. घटना और पता लगाने स्कैन के बीच एक Equation 10 साथ खेलना, Equation 11 Equation 12 निर्धारित करने में सहायता, Equation 13 , और ।
  3. घटना स्कैन के लिए, घटना कोण लगातार बदलती हैं, लेकिन नमूना सामान्य के संबंध में पता लगाने के कोण को ठीक करें.
    नोट: यह चरण गणना किया जाता है । चुना पता लगाने के कोण के तहत उत्सर्जन की भिन्नता की निगरानी करते हुए इस विंयास चुनिंदा आने वाली SPPs, जो घटना कोण निर्भर हैं, उत्तेजित । दूसरे शब्दों में, उत्सर्जन बढ़ जाती है जब घटना कोण Eq में चरण मिलान समीकरण को पूरा करता है । (1).
    1. समोच्च photoluminescence स्पेक्ट्रा की तरंग दैर्ध्य के खिलाफ साजिश और घटना के लिए घटना कोण स्कैन मानचित्रण । अलग पहचान कोण के लिए मैपिंग को मापने लेकिन रिश्तेदार तीव्रता एक ही पाया जाता है । इसलिए, घटना स्कैन जांच उत्सर्जन पर आने वाली SPPs के प्रभाव या बस उत्तेजना वृद्धि, जो हमें और Equation 10 Equation 11 मापने के लिए अनुमति देता है ।
  4. जांच स्कैन के लिए, नमूना सामांय के संबंध में घटना कोण को ठीक लेकिन पता लगाने के कोण बदलती हैं ।
    नोट: यह चरण गणना किया जाता है ।
    1. इसी तरह, समोच्च साजिश के साथ photoluminescence स्पेक्ट्रा तरंग दैर्ध्य और पता लगाने के कोण पैदावार का पता लगाने स्कैन मानचित्रण । के रूप में एसपीपी उत्सर्जन SPPs के विकिरण गलन से उत्पंन होता है, उत्सर्जन दृढ़ता से जांच कोण निर्भर है । इसलिए, लगातार उत्तेजना के तहत, उत्सर्जन बढ़ जाती है जब पता लगाने के कोण Eq की पूर्ति. (1). इस विंयास की जांच उत्सर्जन वृद्धि और हमें अलग αवें क्रम के Equation 12 लिए निर्धारित करने के रूप में लंबे समय के रूप में यह अच्छी तरह से परिभाषित पता लगाने के कोण निर्भरता है की अनुमति देता है ।

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Representative Results

एक Au आवधिक सरणी का एक उदाहरण चित्रा 4a8के इनसेट में दिया जाता है । विमान देखें SEM छवि का पता चलता है कि नमूना एक 2d वर्ग जाली ५१० एनएम, २८० एनएम के एक छेद गहराई, और १४० एनएम के एक छेद व्यास की अवधि के साथ परिपत्र छेद सरणी है । पी-ध्रुवीकरण भावना Γ-X दिशा के साथ लिया मानचित्रण चित्रा 4aमें दिखाया गया है । डैश रेखा चरण मिलान समीकरण Eq द्वारा परिकलित की जाती है । (1) संकेत है कि (एम =-1, एन = 0) SPPs उत्साहित हैं ।

जब ध्रुवीकरण और विश्लेषक ओर्थोगोनल पदों पर सेट कर रहे हैं, इसी भावना मानचित्रण चित्रा 4bमें दिखाया गया है । हम देखते है कि मानचित्रण लगभग रैखिक ध्रुवीकरण के लिए समान है पृष्ठभूमि के अलावा अब शूंय हो जाता है के रूप में गैर गुंजयमान प्रतिबिंब विश्लेषक द्वारा हटा दिया जाता है । इसके अलावा, भावना प्रोफाइल डुबकी से चोटियों को बदल रहे है के रूप में केवल एसपीपी विकिरण गलन पृष्ठभूमि के हटाने के बाद रहता है ।

दरअसल, फैलाव रिलेशन SPMF की पढ़ाई के लिए एक अच्छा टूल है । यह मानते हुए लेजर उत्तेजना तरंग दैर्ध्य ७०० एनएम है, आने वाली SPPs एक 19 ° घटना कोण पर उत्पंन किया जाएगा और वे उत्सर्जन के साथ बातचीत अगर उनके अवशोषण बैंड मैच होगा । दूसरी ओर, एसपीपी उत्सर्जन एक 23 ° घटना कोण पर पता लगाया जाएगा अगर उत्सर्जन ७३० एनएम पर होता है । इसलिए, एसपीपी अनुनादों हमें उत्तेजना वृद्धि के लिए आने वाली SPPs को उत्तेजित करने के लिए और उत्सर्जन बढ़ाने के लिए निवर्तमान SPPs का पता लगाने के लिए अनुमति देते हैं ।

हम सरणी10पर कोट CdSeTe क्वांटम डॉट्स मैगनीज PVA बहुलक स्पिन । चित्र 5 & 5b p-ध्रुवीकरण और ओर्थोगोनल भावना मैपिंग Γ-X दिशा के साथ साथ लिया गया प्रदर्शित करें, (-1, 0) दिखा रहा है । आरेख 5c & 5d , क्रमशः 0 ° और 0 ° का पता लगाने और घटना कोणों पर ली गई संगत photoluminescence घटना और डिटेक्शन स्कैन मैपिंग्स दिखाता है । लेजर तरंग दैर्ध्य λex ६३३ एनएम है । वास्तव में, भावना मानचित्रण के अनुरूप, हम देखते है कि मजबूत उत्सर्जन १८.५ ° की घटना कोण पर होता है जहां आवक (-1, 0) SPPs उत्साहित हैं । दूसरी ओर, पता लगाने स्कैन से, भावना और photoluminescence के बीच मजबूत सादृश्य सत्यापित करता है कि उत्सर्जन में वृद्धि कर रहे है जब निवर्तमान SPPs उत्साहित हैं ।

उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण एसपीपी क्षय दर और photoluminescence शक्ति अनुपात10की आवश्यकता है । Γ-X दिशा के साथ ६३३ एनएम पर क्षय दर निर्धारित करने के लिए, पी-ध्रुवीकरण और ओर्थोगोनल भावना स्पेक्ट्रा चित्रा 5 और 5b से निकाली गई चित्रा 6aमें दिखाया गया है । पी-ध्रुवीकरण स्पेक्ट्रम एक Fano प्रोफ़ाइल की तरह है कि के रूप Equation 14 में वर्णित किया जा सकता है, जहांपी रहे है nonresonant भावना और ωएसपीपी गुंजयमान फोटॉन ऊर्जा है, जबकि ओर्थोगोनल समकक्ष Equation 15 दिखाता है, एक प्रदर्शन Lorentzian lineshape12. वे तो सबसे अच्छा लगे हैं और कुल और radiating क्षय दर, Γमुन्ना और Γराड, ९५.०८ और २७.१५ meV ( एचके साथ) हैं ।

दूसरी ओर, photoluminescence शक्ति अनुपात निम्नानुसार प्राप्त होता है. घटना से चित्रा 5cमें स्कैन, उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य λem = ६९० एनएम, जहां प्रत्यक्ष उत्सर्जन पता लगाने में उत्सर्जन प्रोफ़ाइल, चित्रा घमण्डमें निकाला जाता है । बिजली अनुपात Equation 16 है, जो के साथ और आने वाले SPPs के बिना प्रत्यक्ष उत्सर्जन के रूप में परिभाषित किया गया है, बस १८.५ पर तीव्रता फ्लैट पृष्ठभूमि (६.८९६) से विभाजित डिग्री है । Equation 17 तो ५७४.०४ meV होना निर्धारित है ।

दूसरी ओर, युग्मन दर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य निर्भर है । ६९० एनएम पर उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य एक उदाहरण के रूप में चुना जाता है । कुल और radiating क्षय दर, Γमुन्ना और Γरेड, क्रमशः ६०.०६ और १७.१२ meV ( एचके साथ), कर रहे हैं । पता लगाना स्कैन प्रोफ़ाइल चित्रा 5d से निकाला जाता है और चित्रा 6cमें प्रदर्शित किया जाता है । बिजली के अनुपात Equation 18 के रूप में परिभाषित किया गया है (-1, 0) एसपीपी उत्सर्जन आधा अंतरिक्ष प्रत्यक्ष यह सोचते है कि नमूना कोई संचरण है उत्सर्जन से विभाजित है । के बाद से डिटेक्टर एक ठोस कोण ΔΩ ~ π3/७२०2 sr, एक Lambertian सतह के लिए Equation 19 ,, जहां बी चित्र 6c के रूप Equation 20 में पृष्ठभूमि के बाद शामिल हैं । दूसरी ओर, ΔΩ द्वारा विभाजित Equation 21 चोटी प्रोफ़ाइल के रूप में दिया जाता है । नतीजतन, Equation 22 ०.८०५ हो पाया है ।

Figure 1
चित्रा 1 . योजनाबद्ध हस्तक्षेप लिथोग्राफी. एक ३२५ एनएम लेजर प्रकाश एक स्थानिक फिल्टर के माध्यम से ध्यान केंद्रित किया और फिर एक लॉयड दर्पण इंटरफेरोमीटर जहां नमूना स्थित है पर प्रबुद्ध है । जोखिम के लिए नमूना सतह के साथ खड़े लहर रूपों । इनसेट: नमूने की धारा 2 में पूरी की गई टॉप व साइड देखने की प्रक्रिया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2 . ध्रुवीकरण-आणि कोण-समाधानी भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी. (क) ध्रुवीकरण की योजनाबद्धता-और कोण-हल भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी. तीन रोटेशन चरण goniometer के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है । एक बहुपद्वति फाइबर युग्मित स्पेक्ट्रोमीटर और सीसीडी डिटेक्टर का पता लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है । एक ब्रॉडबैंड सफेद प्रकाश स्रोत भावना माप के लिए प्रयोग किया जाता है । (ख) ध्रुवीकरण के प्रमुख भाग ((क) में काला डैश बॉक्स) की वास्तविक जीवन छवि-और कोण-हल भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3 . ध्रुवीकरण की योजनाबद्धता-और कोण-सुलझी photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी. एक ५१४ या ६३३ एनएम लेजर photoluminescence के लिए प्रयोग किया जाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 . भावना मैपिंग और मुजे क्षय दर । (क) p-एक Au सरणी Γ-एक्स दिशा के साथ लिया की भावना मानचित्रण । डैश रेखा चरण मिलान समीकरण का उपयोग करके परिकलित की जाती है, दिखा रहा है (-1, 0) SPPs विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर उत्तेजित होते हैं । इनसेट: विमान-सरणी की SEM छवि देखें । (ख) इसी ओर्थोगोनल भावना मैपिंग दिखा रही है कि बैकग्राउंड में नल है और भावना डिप अब चोटियों बन गई है । (ग) Γमुन्ना की साजिश और Γराड का एक समारोह के रूप में तरंग दैर्ध्य. परिणाम संदर्भ9से reproduced हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5 . भावना, घटना और जांच एक सरणी के स्कैन मैपिंग CdSeTe क्वांटम Γ-एक्स दिशा के साथ लिया डॉट्स के साथ लेपित । (a) p-ध्रुवीकरण और (b) ओर्थोगोनल भावना मैपिंग और संबंधित photoluminescence (c) घटना और (d) पता लगाना स्कैन मैपिंग पर लिया गया पता लगाने और घटना कोण = 0 ° और 0 °, क्रमशः । लेजर तरंग दैर्ध्य λex ६३३ एनएम है । परिणाम संदर्भ10से reproduced हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . प्रतिनिधि भावना, घटना और जांच स्कैन प्रोफ़ाइल । (क) पी-ध्रुवीकरण और ओर्थोगोनल भावना स्पेक्ट्रा के साथ एक साथ सबसे अच्छा फिट बैठता है Γमुन्ना और Γरेड पर ६३३ एनएम निर्धारित करने के लिए । (ख) निकाली गई (ख) घटना और (ग) जांच स्कैन प्रोफाइल. परिणाम संदर्भ10से reproduced हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस प्रोटोकॉल में, कई महत्वपूर्ण कदम हैं । पहला, यांत्रिक स्थिरता नमूना तैयारी में महत्वपूर्ण है । खड़े लॉयड सेटअप द्वारा उत्पंन तरंग दो रोशनी मुस्कराते हुए के बीच के चरण अंतर के प्रति संवेदनशील है । इसलिए, जोखिम समय के दौरान किसी भी कंपन nanohole की एकरूपता और बढ़त तेज नीचा होगा । यह अत्यधिक कंपन अलगाव के साथ एक ऑप्टिकल तालिका का समर्थन करता है, जैसेएक कंपन मुक्त वातावरण में संचालित करने के लिए सिफारिश की है । इसके अलावा, उच्च शक्ति लेजर भी कंपन को कम करने के रूप में यह जोखिम समय तदनुसार कम कर देता है वांछित है । दूसरा, चरण १.१ में pinhole ठीक से चुना जाना चाहिए । छेद आकार काफी छोटा करने के लिए एक तरफ और अभी भी काफी बड़े के लिए दूसरी तरफ जोखिम के लिए पर्याप्त शक्ति संचारित मोड प्रदर्शन किया जाना चाहिए । हम HeCd बहुपद्वति लेजर के लिए एक ५० माइक्रोन pinhole और 13X उद्देश्य की सलाह देते हैं । तीसरा, यह उल्लेखनीय है कि ओर्थोगोनल भावना के Lorentzian लाइन आकार वैध है जब पी ≈ आरएस, जहां पी रहे है और आरएस गैर है पी के लिए गुंजयमान भावना है और एस-ध्रुवीकरण12। हालांकि, glancing घटना कोण या कुछ अनिसोट्रोपिक metamaterials के साथ एक nanohole सरणी के लिए, आरपी और आरएस के बीच अंतर उपेक्षित नहीं किया जा सकता है Equation 23 और परिणामस्वरूप भावना पैदावार, Fano lineshape को जंम दे रही है ।

संक्षेप में, इस प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए एक विधि का निर्धारण करने के लिए उत्तेजना और युग्मन दर से प्रकाश उत्सर्जक और SPPs के बीच 2d धातु आवधिक arrays । दर कोण से मापा जाता है-और ध्रुवीकरण-हल भावना और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी, दोनों जिनमें से आवृत्ति डोमेन तकनीक हैं. पारंपरिक समय के साथ तुलना में हल तकनीक, इस विधि न केवल SPMF, जो सबसे प्रतिदीप्ति वृद्धि के अध्ययन में नहीं माना जाता है की उत्तेजना और क्षय प्रक्रियाओं अंतर है, लेकिन यह भी प्रकाश उत्सर्जक के युग्मन दरों को निर्धारित करता है अलग एसपीपी मोड । समय के रूप में हल तकनीक केवल एक प्रकाश उत्सर्जक के कुल जीवनकाल उपाय और विभिंन गुंजयमान मोड से योगदान की पहचान करने में असमर्थ हैं, हमारे विधि निश्चित रूप से इस क्षेत्र के लिए मूल्य जोड़ने के विशेष रूप से जब प्रकाश उत्सर्जक एक परिसर में रखा जा रहा है अनुनाद प्रणाली । एक आवधिक plasmonic प्रणाली के लिए Equation 24 , मोड एक अच्छी तरह से परिभाषित क्षय दिशा है, जबकि प्रत्यक्ष उत्सर्जन को आइसोट्रोपिक माना जाता है । उत्सर्जन दिशा में उनके मतभेद विधा पहचान को जंम देते हैं । के रूप में दिशात्मक उत्सर्जन मैटीरियल्स में एक सार्वभौमिक व्यवहार है, इस तरह के भेदभाव आसानी से metamaterials और नैनोवायर क्रिस्टल जैसे अंय गुंजयमान प्रणालियों के लिए बढ़ाया जा सकता है । हम इस तकनीक के प्रकाश उत्सर्जक और गुंजयमान गुहाओं के बीच प्रतिदीप्ति वृद्धि का अध्ययन करने के लिए एक सक्षम करने प्रौद्योगिकी होने की आशंका है ।

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Disclosures

लेखकों की घोषणा है कि वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है ।

Acknowledgments

इस शोध को चीनी विश्वविद्यालय हांगकांग द्वारा प्रत्यक्ष अनुदान ४०५३०७७ और ४४४११७९ के माध्यम से समर्थित किया गया, RGC प्रतियोगी निर्धारित अनुसंधान अनुदान, ४०२८१२ और १४३०४३१४, और एरिया ऑफ एक्सीलेंस AoE/पी-02/

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. , Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J. (1984).

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अभियांत्रिकी अंक १३७ Photoluminescence आवधिक arrays ध्रुवीकरण-हल स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रतिदीप्ति वृद्धि भूतल Plasmon मध्यस्थता प्रतिदीप्ति हस्तक्षेप लिथोग्राफी
प्रकाश उत्सर्जक और सतह Plasmon Polaritons के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण
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Cao, Z., Lin, M., Ong, D.… More

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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