Summary
Det här protokollet beskriver instrumenteringen för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och Bloch-liknande ytan plasmon polaritons som härrör från periodiska matriser.
Abstract
Vi har utvecklat en unik metod för att mäta excitation och koppling priser mellan lätta sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs) som härrör från metalliska periodiska matriser utan medverkan av tid-löst tekniker. Vi har formulerat priserna av kvantiteter som kan mätas med enkla optiska mätningar. Instrumenteringen baserat på vinkel - och polarisering-löst reflektivitet och fotoluminescens spektroskopi kommer att beskrivas i detalj här. Vår strategi är spännande på grund av sin enkelhet, som kräver rutinmässig optik och flera mekaniska etapper, och således är mycket överkomligt för de flesta forskningslaboratorier.
Introduction
Ytan plasmon medierad fluorescens (SPMF) har fått stor uppmärksamhet nyligen1,2,3,4,5,6. När ljus sändare placeras i närheten av ett plasmoniska system, kan energi överföras mellan sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs). De starka plasmoniska fält kan i allmänhet starkt förbättra magnetiseringen av sändare2. Samtidigt ökar också andelen utsläpp på grund av de stora density-av-staternas skapad av SPPs, ger den välkända Purcell effekt3. Dessa två processer arbetar hand i hand i producerar SPMF. Som SPMF har stimulerat många tillämpningar i solid-state belysning1,4, Energisamlande5och bio-upptäckt6, är det för närvarande under intensiv undersökning. I synnerhet kunskapen om de energi överföringshastigheter från SPPs till sändarna och vice versa, dvs magnetiseringen och koppling priser, är av stor betydelse. Men de excitation och utsläpp processerna är vanligtvis insnärjda tillsammans, studie om denna aspekt saknas fortfarande. Till exempel, avgöra de flesta studier bara excitation effektivitet förhållandet, som helt enkelt jämför utsläppen med och utan SPPs7. Exakt mätning av andelen excitation saknas fortfarande. Å andra löst konventionella tid-tekniker såsom fluorescens livstid spektroskopi används rutinmässigt för att studera dynamiken i processen som utsläpp, men de är oförmögna att skilja andelen koppling från den totala decay rate8. Här beskriver vi hur man kan bestämma dem genom att kombinera hastighet ekvation modellen och den temporal kopplat läge teori9,10. Anmärkningsvärt, finner vi att magnetiseringen och koppling priser kan uttryckas i form av mätbara storheter, som kan nås genom att utföra vinkel - och polarisering-löst reflektionsförmåga och fotoluminescens spektroskopi. Vi kommer först beskriva utformningen och sedan beskriva instrumenteringen i detalj. Detta synsätt är helt frekvens domän och det kräver inte någon tid-löst tillbehör som ultrasnabba lasrar och tid-korrelerade singel-photon räknare, vilket är dyrt och ibland svårt att genomföra8, 11. Vi räknar med denna teknik för att vara en möjliggörande teknik för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och resonant hålrum.
SPMF i periodiska system är informerade här. För en periodisk plasmoniska system där Bloch-liknande SPPs kan genereras, än direkt excitation och utsläpp, som kännetecknas av magnetiseringen effektivitet η och spontan emission rate Γr, sändarna kan vara upphetsad av inkommande SPPs och sönderfalla via utgående SPPs. Med andra ord, under resonans magnetisering genereras inkommande SPPs för att skapa starka plasmoniska fält att vitalisera sändarna. När sändarna är upphetsad, kan energi från dem överföras till utgående SPPs, som därefter radiatively försvinna till långt-fält, vilket ger upphov till ökat utsläpp. De definierar SPMF. För enkla två-nivå utsläppsländerna avser excitation ökad övergången av elektroner från marken till glada staterna medan utsläpp definierar förfalla av elektroner tillbaka till marken USA, tillsammans med photon emission vid våglängder som definieras av energiskillnaden mellan glada och marken. Excitation och utsläpp villkoren för SPMF är skyldiga att uppfylla den välkända fasen matchande ekvation att egga de inkommande och utgående SPPs9
(1)
där εen och εm är dielektrisk konstanter av dielektrika och metallen, θ och φ är incident och azimutala vinklarna, P är perioden av matrisen, λ är våglängden excitation eller utsläpp och m och n är de heltal som anger ordningen på SPPs. För magnetisering, blir den i-plane wavevector av laserstrålen Bragg utspridda till momentum match med de inkommande SPPs och de θ och φ grupp definierar den angivna händelsen konfigurationen för spännande i SPPs att förbättra den elektroniska absorptionen vid den magnetiseringen våglängd λex. Likaså för utsläpp blir de utgående SPPs omvänt Bragg utspridda för att matcha med lätta linjen och vinklarna representerar nu de möjliga utsläpp kanalerna på utsläpp våglängd λem. Dock noteras att när sändarna kan par sin energi till vectorial förökningsmaterial SPPs med 
som har samma storleksordning 
men olika riktningar, SPPs kan sönderfalla och via olika kombination av (m, n) till långt-området följande ekv (1).
Med hjälp av ränta ekvation modell och temporal kopplat läge teori (CMT), vi tycker att den excitation rate Γex, dvs energi överföringshastigheten från SPPs till sändare, kan uttryckas som9,12,13
(2)
där η är andelen ovannämnda direkta magnetiseringen i avsaknad av de inkommande SPPs, Γtot är andelen totala förfall de inkommande SPPs 
där Γabs och Γrad är ohmsk absorption och strålningstransport decay priser av SPPs, och 
är fotoluminescens makt förhållandet med och utan de inkommande SPPs. Däremot, kan den koppling rate Γc, dvs energi överföringshastigheten från sändare till SPPs, skrivas som:
(3)
där Γr är den direkta utsläpp frekvens 
är fotoluminescens makt förhållandet mellan αth SPP medierad sönderfall och direkt hamnar och Γradα och Γtot de radiative decay priserna för αth port och de totala förfall priserna. Vi kommer att se att medan alla SPP decay priserna kan mätas genom reflektionsförmåga spektroskopi, utsläpp makt förhållandet kan bestämmas av fotoluminescens spektroskopi. Detaljer av formuleringar kan hittas i referens9,10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. inställning av störningar litografi
Obs: Störningar litografi används för att tillverka de periodiska matriser12. Den schematiska setup, byggs som visas i figur 1, upp enligt följande:
- Fokusera 325 nm laser från en HeCd multimode laser en 13 X UV objektiv och passera den genom en 50 μm pinhole baserad rumsliga filter för rengöring-läge.
- Placera två 2,5 cm diameter Iris 30 cm isär för att ytterligare filtrera den centrala regionen av skiljaktiga ljuset. Efter andra iris, beam diameter motsvarar 2,5 cm och ökar mycket långsamt med avstånd, vilket är < 3 cm på 1 m avstånd från andra iris. Ljuset antas vara nästan parallellt.
Obs: Utdata från andra iris bör vara enhetlig när kontrolleras av blotta ögat. - Styra den kollimerad strålen till Lloyds spegel interferometer. Lloyd's setup innehåller en prisma-baserade provhållare och en 5.04 cm spegel placerad vinkelrätt mot den. De direkta och reflekterade illuminations skapar tillsammans ett stabilt stående våg längs provets yta för mallning. Prismat fungerar som en antireflex-enhet.
Observera: Perioden P av stående våg kan skrivas som:
, där λ = 325 nm och α är den infallande vinkeln med avseende på prov normal, som visas i figur 1. Den infallande vinkeln kan stämmas av roterande Lloyd's setup.
, där λ = 325 nm och α är den infallande vinkeln med avseende på prov normal, som visas i figur 1. Den infallande vinkeln kan stämmas av roterande Lloyd's setup.2. periodiska Array förberedelse
Obs: Urvalet är beredd enligt det normala förfarandet som föreslås av tillverkaren. Alla procedurer utförs vid rumstemperatur.
- Använda en 1 cm2 glassubstrat. Rengöra glaset med metanol och aceton för 10 min varje i ett ultraljudsbad och sedan Förgrädda det på en värmeplatta vid 200 ° C i 1 h att ta bort smuts.
- Spinn-rocken glassubstrat med ett 5 nm tjock vidhäftning lager och en 100 nm tjock negativa SU-8 fotoresist med en två hastigheter spin-bestrykare.
- Späd den SU-8 fotoresist med Gamma-butyrolakton i förhållandet 1:5 (v/v) så att tjockleken kan styras nära 100 nm efter spin-beläggning.
- Fördela 3-5 droppar (0,2 mL) vidhäftning lösning på glassubstrat och spinn på 600 rpm för 10 s och 3600 rpm för 1 min, efter varandra.
- Upprepa steg 2.2.2 med 5-7 (0,3 mL) droppar utspädd SU-8 från steg 2.2.1 med samma hastighet.
Obs: Vidhäftning lagret förbättrar vidhäftningen mellan glassubstrat och fotoresist så att fotoresist inte skulle lossnar under utveckling. Tjockleken på det SU-8 lagret styrs av koncentration och hastighet av spin-bestrykare.
- Prebake provet på 65 ° C och 95 ° C kokplattor för 1 min varje. Ugnar rekommenderas inte här.
- Överför provet till prismat i interferometern. Lägg en droppe av brytningsindex matchande olja (n = 1,45) att fästa provet på prism. Placera den så nära spegeln som möjligt.
Obs: Urvalet är fäst på Prisma ytan på grund av ytspänningen i oljan. Brytningsindex för olja är valt att vara samma som Prisma och glas substrat för att eliminera tillbaka reflektion från inblandning. - För en tvådimensionell fyrkantig galler, exponera provet två gånger med samma exponeringstid men rätvinkliga riktningar; det vill säga exponera provet och sedan rotera den 90 ° för den andra exponeringen. När fotoresist utsätts för en 325 nm ljus, det antipyridinantikropp och inte kan upplösas av SU-8 utvecklaren.
Obs: Diameter D matrisen kan styras genom att justera exponeringstiden. - Grädda hårt provet vid 65 ° C och 95 ° C i 2 min till förhindra filmen sprickbildning.
- Sänk ner hela provet i utvecklare för 2 min med kontinuerlig agitation att upplösa oexponerad området.
- Fördjupa provet i isopropylalkohol för 1 min att skölja residualerna och sedan torka den med tryckluft. En nanohole matris produceras sedan.
3. guld filmen nedfall och ljus Emitter beläggning
- Fäst provet provhållaren av den radiofrekventa magnetron sputtering nedfall system med dubbelhäftande tejp för Au filmen nedfall.
- Pumpa ner kammaren till en 2 x 10-6 Torr bas tryck med hjälp av en turbomolecular pump och sedan tillbaka fylla det med 6 x 10-3 Torr ultrahög renhet Ar gas.
- Använda ett 5 cm diameter 99,9% Au mål och placera en slutare mellan provet och mål. Använd låg effekt (50 W) för att minska insvetstal och ytjämnheten. Med slutaren stängd, pre sputter mål för 10 min att ta bort smuts.
- Öppna slutaren för att bearbeta nedfall i rumstemperatur i 20 min. En tjocklek på 100 nm sätts rutinmässigt för att säkerställa att systemets plasmoniska är optiskt tjock med ingen överföring.
- När provet är redo, spinn-rocken över ljusavgivande material såsom organiska färgämnen eller quantum dots på metallytan att bilda ett tunt lager av dielektrika.
- För styryl 8 färgämnet används i referens9, Lös 20 µg styryl 8 och 500 µg av polymer polyvinylalkohol (PVA) i 5 mL metanol.
- Fördela 3-5 droppar (0,2 mL) färgämne lösning på prov och snurra på 600 rpm för 10 s och 3600 rpm för 1 min i följd. Tjocklek beräknas till 80 nm.
Obs: Vatten lösliga eller olösliga polymeren kan användas som förankring material beroende på vilken typ av material som avger. Polymeren bör dock icke-emissive så att det inte skulle störa fotoluminescens mätningarna. Polymer av polyvinylalkohol (PVA) rekommenderas för att lösa upp vattenlösliga färgämnen såsom rodamin 6 G och styryl 8.
4. reflektionsförmåga mätningar för att bestämma de SPP Decay priserna
Obs: Den polarisering - och vinkel-löst reflektionsförmåga spektroskopi setup visas i figur 2. Den består av en goniometer med tre rotation etapper för att självständigt ändra prov orientering (steg 1) och Detektionsvinkel (steg 2) samt prov azimuthal vinkeln (etapp 3).
- Använd ett bredband vitt ljus från en kvarts lampa som ljuskälla. Första par det till en multimode fiber bunt och sedan collimate det av ett par collinear face-to-face objektiv (5 X och 60 X). Belysa ljusstrålen på provet vid olika tillbud vinklar genom att ändra urvalet orientering. Placera ett par incidenter polarisator och upptäckt analyzer före och efter provet för polarisering-beroende mätningar.
Obs: Ansikte mot ansikte målen fungera som ett linssystem som collimates och expanderar vit ljuskälla från multimode fiber. - Använda en multimode fiber för att samla den speglande reflexionen från provet, som är ansluten till en spektrometer och en CCD detektor för spektroskopi.
- Justera inställningarna noggrant för att säkerställa både prov riktningen arrangerar och upptäckt rotation stadier är koncentriska, dvs., deras rotation yxor är collinear.
- Kalibrera setup med en platt Au-film. Mäta speglar spektra vid olika tillbud vinklar och jämföra dem med teoretisk reflektion spektra beräknas av Fresnel ekvationer med hjälp av en känd Au dielektriska funktion. De två datauppsättningarna bör överensstämma med mindre än 5% av fel.
- När installationen är klar, mäta linjärt polariserad, p eller s, speglar spektra av provet vid olika tillbud vinklar. Stegstorlek incident vinkeln är 0,5 ° och våglängd upplösningen är 0,66 nm. Samla in spektra under flera tillbud vinklar, skrivs ett kontrollprogram för automation inklusive mekanisk rörelse, slutare kontroll, datainsamling, bakgrunden subtraktion, etc.
Obs: Detta steg görs computationally. Programmet finns på begäran. Skicka ett mail till motsvarande författare för källkoden om det behövs. - Contour Rita reflektionsförmåga vs. våglängd och incident vinkel att få spridning förhållandet av plasmoniska systemet för läge identifiering och decay rate bestämning.
Obs: Urvalet azimuthal vinkeln är att lokalisera positionen i zonen Brillouin. Exempelvis för fyrkantig galler prov, rotera provet azimuthally så att en av dess perioder är parallell med det infallande planet och detta definierar den Γ-X-riktningen. Rotera provet genom 45° att definiera Γ-M riktning. - Om incidenten polariserade ställs på 45° med avseende på det infallande planet och analysatorn är-45 °, mäta ortogonala eller cross-polariserade, reflektionsförmåga mappningen.
- Extrahera p-polariserade och ortogonala speglar spektra och passar dem med hjälp av CMT9,12,13, som beskrivs i diskussionen att fastställa de förfalla av SPPs.
5. fotoluminescens mätningar för att bestämma förhållandet utsläpp Power
Obs: Inställningen för vinkel - och polarisering-löst fotoluminescens visas i figur 3.
- Byta bredband ljuskällan med 514 nm argon ion eller 633 nm HeNe laser. Använda en laser line-filter med full bredd halv Max (FWHM) mindre än 5 nm att rengöra lasern spektralt och placera en halv-wave tallrik för att kontrollera tillståndet polarisering av laserstrålen. Goniometer och upptäcka enheten förblir oförändrade. Placera en notch filter före upptäckt enheten ta bort laserlinjen, som begraver luminiscens.
Obs: Laser våglängd beror på vilken typ av material som avger. Högre fotonenergi krävs för att excitera materialet med kortare utsläpp våglängd. - För att mäta utsläpp makt förhållandet för ekv (2) & (3), utföra två typer av mätningar: identifiering och incident skanningar. Samspelet mellan incidenten och upptäckt skanningar hjälpa att fastställa
, 
, 
, och 
. - För incident skanna, varierar den infallande vinkeln kontinuerligt men fixa Detektionsvinkeln med avseende på provet normalt.
Obs: Detta steg görs computationally. Denna konfiguration upphetsar selektivt de inkommande SPPs, som är incident vinkel beroende, medan övervakning variationen av utsläpp under den valda Detektionsvinkeln. Med andra ord, ökar utsläpp när den infallande vinkeln uppfyller fasen matchande ekvation i ekv (1).- Contour Rita fotoluminescens spektra mot våglängd och infallande vinkeln för incident scan mappningen. Mäta mappningarna för identifiering av olika vinklar men de relativa intensitet finns samma. Därför incident genomsökningen sonder effekten av de inkommande SPPs på utsläpp eller helt enkelt excitation förbättring, som tillåter oss att mäta och .
- Contour Rita fotoluminescens spektra mot våglängd och infallande vinkeln för incident scan mappningen. Mäta mappningarna för identifiering av olika vinklar men de relativa intensitet finns samma. Därför incident genomsökningen sonder effekten av de inkommande SPPs på utsläpp eller helt enkelt excitation förbättring, som tillåter oss att mäta
- För detektering skanna, fixa incident vinkeln med avseende på provet normalt men variera Detektionsvinkeln.
Obs: Detta steg görs computationally.- På samma sätt rita konturen fotoluminescens spektra med våglängd och upptäckt vinkel avkastning detektering Skanna mappning. Som SPP utsläpp härrör från strålning dämpning SPPs, är utsläpp starkt Detektionsvinkel beroende. Därför under konstant magnetisering ökar utsläpp när Detektionsvinkeln uppfyller ekv (1). Den här konfigurationen sonder utsläpp förbättring och tillåter oss att bestämma för olika αth beställa så länge det har väldefinierade upptäckt vinkel beroende.
- På samma sätt rita konturen fotoluminescens spektra med våglängd och upptäckt vinkel avkastning detektering Skanna mappning. Som SPP utsläpp härrör från strålning dämpning SPPs, är utsläpp starkt Detektionsvinkel beroende. Därför under konstant magnetisering ökar utsläpp när Detektionsvinkeln uppfyller ekv (1). Den här konfigurationen sonder utsläpp förbättring och tillåter oss att bestämma
, 
, 
, och 
.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ett exempel på en Au periodiska array ges i infällt i figur 4a8. Plan Visa SEM bilden visar att provet är en 2D fyrkantig galler cirkulärt hål matris med en period i 510 nm, håldjup 280 nm och en håldiameter på 140 nm. P-polariserade reflektionsförmåga mappningen tagit längs Γ-X riktning visas i figur 4a. Dash raden beräknas genom den fasen matchande ekvation ekv (1) som anger att (m = -1, n = 0) SPPs exciteras.
När polarisationsfiltret och analysatorn ställs på ortogonal positioner, visas motsvarande reflektionsförmåga mappningen i figur 4b. Vi ser att mappningen är nästan identisk med den linjära polariserade mappning förutom bakgrunden nu blir noll som icke-resonant reflektion tas bort i Analyzer. Dessutom ändras reflektionsförmåga profilerna från dips till toppar som endast SPP strålning dämpning resterna efter borttagningen av bakgrunden.
I själva verket är dispersion relationen ett bra verktyg för att studera SPMF. Förutsatt att laser excitation våglängden är 700 nm, inkommande SPPs kommer att genereras i 19° incident vinkel och de interagerar med sändarna om deras absorptionsbandet matchar. Däremot, SPP utsläpp kommer att upptäckas i 23° incident vinkel om utsläppet sker på 730 nm. Därför tillåta SPP resonanser oss att excitera de inkommande SPPs för magnetisering förbättring och lokalisera de utgående SPPs för utsläpp förbättring.
Vi snurra coat CdSeTe quantum dots dopade PVA polymer på matris10. Figur 5a & 5b visar p-polariserade och ortogonala reflektionsförmåga mappningen taget along den längs Γ-X riktning, visar den (-1,0). Figur 5 c & 5 d visar motsvarande fotoluminescens incident och detektering Skanna mappningar tas vid detektering och infallande vinklar 0 ° och 0 °, respektive. Den laser våglängd λex är 633 nm. I själva verket överensstämmer med reflektionsförmåga mappningen, vi ser att stark utsläpp inträffar en incident vinkel på 18,5 ° där inkommande (-1,0) SPPs exciteras. Däremot, från upptäckt scan kontrollerar en stark likhet mellan reflexion och fotoluminescens att utsläppen förbättras när de utgående SPPs exciteras.
Bestämning av magnetiseringen och koppling priser kräver SPP decay priser och fotoluminescens power nyckeltal10. För att avgöra de förfall priserna på 633 nm längs Γ-X riktning, p-polariserade och ortogonala reflektionsförmåga spektra utvinns ur figur 5a & 5b visas i figur 6a. P-polariserade spektrumet visar en Fano-liknande profil som kan beskrivas som 
, därp är den nonresonant reflektionsförmåga och ωSPP är resonant fotonenergin, medan den ortogonala motsvarigheten följer 
, uppvisar en Lorentzian lineshape12. De är då bäst utrustade och totalt och strålningstransport förfall, Γtot och Γrad, skattesatserna 95.08 och 27.15 meV (med h).
Däremot, erhålls fotoluminescens makt förhållandet enligt följande. Från det infallande scan i figur 5 c, utsläpp profilen på utsläpp våglängd λem = 690 nm, där den direkta utsläppen lokaliserar, utvinns i figur 6b. Förhållandet power 
, som definieras som den direkta utsläppen med och utan de inkommande SPPs, helt enkelt är intensiteten på 18,5 ° dividerat med platt bakgrunden (6.896). 
bestäms sedan vara 574.04 meV.
Däremot, är kopplingen utsläpp våglängd beroende. Utsläpp våglängden på 690 nm är valt som exempel. Totalt och strålningstransport förfall skattesatserna, Γtot och Γrad, 60.06 och 17.12 meV (med h), respektive. Skanningsprofilen som upptäckt extraheras från figur 5 d och visas i figur 6 c. Förhållandet power 
definieras som den (-1,0) SPP utsläppen dividerat med halv-utrymme direkt utsläpp förutsatt att provet har ingen överföring. Eftersom detektorn täcker en rymdvinkel ΔΩ ~ π3/7202 sr, för en Lambertian yta, 
, där b följer bakgrunden i figur 6 c som 
. Däremot, de 
ges som peak profilen dividerat med ΔΩ. Som ett resultat, 
visar sig vara 0.805.
Figur 1 . Schematisk av störningar litografi. En 325 nm laserljus fokuserade genom rumsliga filter och sedan belyses på Lloyds spegel interferometer där provet ligger. Den stående våg formulären längs provets yta för exponering. Infällt: scheman av vyn topp och sida av provet avslutas i avsnitt 2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Polarisering - och vinkel-löst reflektionsförmåga spektroskopi. (en) scheman över polarisering - och vinkel-löst reflektionsförmåga spektroskopi. Tre rotation steg används för att konstruera goniometer. En multimode fiber tillsammans spektrometer och CCD detektor används för identifiering. En bredband vit ljuskälla används för reflektionsförmåga mätningar. (b), verkliga bilden av den stora delen (svart streck ruta i (en)) av den polarisering - och vinkel-löst reflektionsförmåga spektroskopin. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Scheman över polarisering - och vinkel-löst fotoluminescens spektroskopi. En 514 eller 633 nm laser används för fotoluminescens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Reflektionsförmåga mappningar och härledas decay priser. (en) p-polariserade reflektionsförmåga kartläggning av en Au matris tagit längs Γ-X riktning. Dash raden beräknas med fasen matchande ekvation, visar (-1,0) SPPs exciteras vid olika våglängder. Infällt: plan-view SEM bilden av matrisen. (b) de motsvarande ortogonala reflektionsförmåga kartläggning visar att bakgrunden är nulled och reflexion doppar nu blivit toppar. (c) handlingen i Γtot och Γrad som en funktion av våglängden. Resultaten återges från referens9. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Reflektionsförmåga, händelsen och detektering Skanna mappningar av en matris som belagda med CdSeTe kvantprickar tagit längs Γ-X riktning. Den (en) p-polariserade och (b) ortogonala reflektionsförmåga mappningar och motsvarande fotoluminescens (c) incident och (d) upptäckt Skanna mappningar tas vid identifiering och incident vinkel = 0 ° och 0 °, respektive. Den laser våglängd λex är 633 nm. Resultaten återges från referens10. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Representativa reflektionsförmåga, incident och detektering Skanna profil. (en) den p-polariserade och ortogonala reflektionsförmåga spectra tillsammans med de bästa passar för att fastställa Γtot och Γrad på 633 nm. (b), extraherade (b) incident och (c) upptäckt skanningsprofiler. Resultaten återges från referens10. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta protokoll finns det flera kritiska steg. Första, mekanisk stabilitet är avgörande för provberedning. Den stående våg genereras av Lloyd's setup är känslig fas skillnaden mellan två belysning balkar. Därför kommer att några vibrationer under exponeringstiden försämra enhetligheten och kantskärpa av nanohole. Det rekommenderas starkt att fungera i en vibrationsfri miljö, t.ex., en optisk bord med vibrationer isolering stöder. Hög effekt laser önskas dessutom också att minimera vibrationer eftersom det minskar exponeringstiden med detta. Det andra väljas hålet i steg 1,1 korrekt. Hålets storlek bör vara tillräckligt liten för att utföra läge städning på ena sidan och fortfarande tillräckligt stor för att överföra tillräcklig strömförsörjning för exponering på andra sidan. Vi rekommenderar en 50 μm hål och 13 X mål för HeCd multimode lasern. För det tredje påpekas att Lorentzian linje form ortogonala reflektionsförmåga är giltig endast när ärp≈ rs, där ärp och rs är icke-resonant reflektivitet för p - och s-polariserade belysning12. Men för en nanohole matris med sneglande incident vinkel eller vissa Anisotrop metamaterial, skillnaden mellan rp och rs inte kan försummas och den resulterande reflektionsförmåga ger 
, ger upphov till Fano lineshape.
Sammanfattningsvis beskriver det här protokollet en metod för att fastställa magnetiseringen och koppling priser mellan lätta sändare och SPPs från 2D metalliska periodiska matriser. Den mäts av vinkel - och polarisering-löst reflektivitet och fotoluminescens spektroskopi, båda är frekvens domän tekniker. Jämfört med konventionella tid-löst tekniker, denna metod inte bara gör åtskillnad mellan excitation och förfall processerna för SPMF, som inte betraktas som i de flesta fluorescens enhancement studier, men bestämmer också koppling andelen lätta sändare till SPP-lägen. Tid-löst tekniker bara mäta en ljus emitter totala livstid och är inte identifiera bidragen från olika resonant lägen, vår metod skulle säkerligen lägga till värdet till fältet speciellt när lätta sändare placeras i en komplex resonans-system. För en periodisk plasmoniska system, 
läge har en väldefinierad decay riktning medan direkta utsläpp antas vara isotropiskt. Skillnaderna i utsläpp riktning ger upphov till läge identifiering. Riktad emission är en universell beteende i nanomaterial, kan sådan differentiering enkelt utökas till andra resonant system som metamaterial och fotoniska kristaller. Vi räknar med denna teknik för att vara en möjliggörande teknik för att studera fluorescens förbättring mellan lätta sändare och resonant hålrum.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de har inga konkurrerande finansiella intressen.
Acknowledgments
Denna forskning stöddes av Chinese University of Hong Kong genom den direkta bidrag-4053077 och 4441179, RGC konkurrenskraftiga öronmärkta forskningsanslag, 402812 och 14304314, och området av Excellence 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).
