여기 및 빛 방출 및 표면 플라스몬 Polaritons 사이 요금 커플링

요약

이 프로토콜에는 여기를 확인 하 고 결합 빛 방출 및 정기적인 배열에서 발생 블로흐와 같은 표면 플라스몬 polaritons 사이 요금 계측을 설명 합니다.

초록

여기 고 커플링 시간 해결 기술을 사용 하지 않고도 금속 정기적인 배열에서 발생 하는 빛 방출 및 표면 플라스몬 polaritons (SPPs) 사이 속도 측정 하는 독특한 방법을 개발 했습니다. 우리가 간단한 광학 측정에 의해 측정 될 수 있는 수량에 의해 요금을 공식화 했습니다. 계측 각도 및 양극 화 해결 반사도 및 photoluminescence 분광학에 따라 여기에서 설명 합니다. 우리의 접근은 그것의 단순 일상적인 광학 및 몇몇 기계적인 단계 이며 따라서 대부분 연구 실험실의 매우 저렴 한 흥미로운.

서론

표면 플라스몬 중재 형광 (SPMF)는 상당한 관심을 받고 있다 최근^1,2,,34,,56. 빛이 미터 plasmonic 시스템에 근접에서 배치는, 미터 및 표면 플라스몬 polaritons (SPPs) 사이 에너지를 전송할 수 있습니다. 일반적으로, 강한 plasmonic 필드 강하게 미터²의 흥분을 높일 수 있다. 동시에 방출 속도 또한 큰 밀도-의-미국 SPPs, 잘 알려진 퍼셀 효과³항복에 의해 만들어진 때문에 증가 했다. 이 두 프로세스는 SPMF 생산에 손에 손을 작동 합니다. SPMF 솔리드 스테이트 조명^1,4,⁵및 바이오-탐지⁶, 수확 에너지에에서 다양 한 응용 프로그램을 자극 했다 집중 조사 중 현재 이다. 특히, 에너지 전송 속도 SPPs는 미터와 반대로, 즉, 에서 지식을 자극 및 요금, 커플링 이다 매우 중요. 그러나, 여기 및 방출 프로세스는 일반적으로 함께 얽혀 버린,이 부분에 대 한 연구는 아직 부족 한. 예를 들어 연구의 대부분만 방출 SPPs⁷하지 않고 단순히 비교 하는 구동 효율 비율을 결정 합니다. 여기 속도의 정확한 측정은 아직 없습니다. 다른 한편으로, 기존의 시간-해결 형광 일생 분광학 등 기법은 방출 과정의 역학을 공부 하 고 정기적으로 사용 되지만 그들은 총 감퇴 율⁸에서 연결 속도 분리 수 있습니다. 여기, 우리가 어떻게 하나 속도 방정식 모델 및 일시적인 결합된 모드 이론^9,10결합 하 여 그들을 확인할 수 있습니다 설명 합니다. 놀랍게도, 우리는 여기와 요금 커플링 나타낼 수 있다 측정 수량, 각도 및 양극 화 해결 반사도 및 photoluminescence 분광학을 수행 하 여 액세스할 수 있는 발견. 우리가 먼저 윤곽을 수립 하 고 설명 자세히 계측. 이 방식은 전적으로 주파수 도메인 기반 및 초고속 레이저 등 시간 상관 단일 광자 카운터, 비싼 어렵고 때로는^8, 를 구현 하는 모든 시간 해결 액세서리 필요 하지 않습니다. ¹¹. 우리는 여기를 확인 하 고 결합 빛 방출 및 공명 충 치 사이 요금 사용 기술에이 기술을 예상.

정기적인 시스템에 SPMF 여기 브리핑입니다. 미터 들어오는 SPPs에 의해 흥분 수 어디 블로흐 같은 SPPs 생성 될 수 있습니다, 여기 효율 η 자발적인 방출 속도 Γ_r에 의해 특징, 직접 여기 및 방출, 주기적으로 plasmonic 시스템에 대 한 고 나가는 SPPs 통해 붕괴. 즉, 공명 여기에서 들어오는 SPPs는 미터를 재충전 하는 강한 plasmonic 필드를 만드는 생성 됩니다. 방출 흥분 되 면, 나가는 SPPs, 이후에 radiatively 멀리 필드에 사라지고, 어떤 향상 된 방출에 기한에 그들 로부터 에너지를 전송할 수 있습니다. 그들은 SPMF를 정의합니다. 간단한 2 레벨 미터, 여기를 참조 전자의 증가 전환 흥분된 상태를 지상에서 방출 광자 방출 파장 정의에서 함께 그라운드 상태에 다시 전자의 부패를 정의 하는 반면 으로 흥분 하 고 접지 상태 사이의 에너지 차이입니다. 여기 및 방출은 SPMF에 대 한 조건이 일치 하는 수신 및 발신 SPPs⁹ 자극 방정식 유명한 단계를 수행 하는 데 필요한

(1)

어디 ε는_는 ε_m 하는 유 전체와 금속 유 전체 상수, θ, φ는 사건 및 방위 각, P 배열의 기간, λ는 여기 또는 방출 파장 이며 m과 n의 순서를 지정 하는 정수 SPPs입니다. 여기, 레이저 광선의 평면에 wavevector 브래그 들어오는 SPPs 기세 일치 하 고 θ 그리고 φ 함께 정의에 전자 흡수를 향상 시키기 위해 SPPs 흥분에 대 한 지정 된 사건 구성 될 것입니다는 여기 파장 λ_전. 마찬가지로, 방출, 나가는 SPPs 됩니다 반대로 브래그 빛 라인과 일치 하 고 각도 지금 방출 파장 λ_그들에 가능한 방출 채널을 나타냅니다. 그러나 그것을 지적 하는, 그는 미터와 vectorial 전파 SPPs를 그들의 에너지를 몇 수 같은 크기는 하지만 서로 다른 방향으로 SPPs 멀리 필드 다음 식 (1) (m, n)의 다양 한 조합을 통해 부패 수 있습니다.

비율 방정식 모델 및 일시적인 결합된 모드 이론 (CMT)를 사용 하 여 우리는 여기 속도 Γ_전, 즉, 방출 에너지 전송 속도 SPPs에서 찾을,^9,,1213 으로 표현 될 수 있다

(2)

여기서 η는 들어오는 SPPs의 부재는 상기 직접 구동 속도, Γ_덧셈 은 들어오는 SPPs의 총 감퇴 율 Γ_abs 와 Γ_방사선 저항 흡수 및 SPPs의 복사 감소율은 고  와 들어오는 SPPs 없이 photoluminescence 전력 비는. 다른 한편으로, 커플링 속도 Γ_c, 즉, SPPs, 미터에서 에너지 전송 속도으로 작성할 수 있습니다.

(3)

Γ_r 은 직접 방출 속도 는 photoluminescence 전력 비는 α 사이^일 SPP 중재 부패와 직접 포트, 그리고 Γ_방사선^α 와 Γ_덧셈 α^일 포트에 대 한 복사 감소율 그리고 총 감퇴 율입니다. 우리는 모든 SPP 감소율 반사 분광학에 의해 측정 될 수 있다, 하는 동안 방출 전력 비율은 photoluminescence 분광학에 의해 결정 수 있습니다 나타납니다. 세부 정보는 공식의 참조^9,10에서 찾을 수 있습니다.

프로토콜

1입니다. 간섭 리소 그래피의 설치

참고: 간섭 리소 그래피 주기적 배열을¹²를 조작 하는 데 사용 됩니다. 도식 설치 그림 1에서 같이 구축 다음과 같습니다.

1. 13 X UV 렌즈 및 50 μ m의 작은 구멍을 통해 그것은 청소 하는 모드에 대 한 공간 필터를 기반으로 패스 HeCd 다중 모드 레이저에서 325 nm 레이저 초점.
2. 추가 필터링 분기 빛의 중앙 지역 두 2.5 cm 직경 홍 30 cm 떨어져 장소. 두 번째 아이리스 후 빔 직경 2.5 c m 이며 두 번째 아이리스에서 1 m 거리에서 < 3 cm은 거리와 매우 느리게 증가입니다. 빛 조명을 거의 것으로 간주 됩니다.
   참고: 두 번째 아이리스에서 출력 균일 육안으로 확인 해야 합니다.
3. Lloyd의 거울 간섭계에 조명을된 빔 조종. 로이드의 설치는 프리즘 기반 샘플 홀더 및 5.04 cm 미러 위치 수직 그것에 포함 되어 있습니다. 직접 및 반사 조명과 함께 샘플 표면 패터 닝에 대 한 안정적인 서 파를 만듭니다. 프리즘 반사 방지 장치 역할을 합니다.
   주: 서 파의 기간 P로 작성할 수 있습니다: , 여기서 λ = 325 nm와 α는 샘플 정상에 관하여 사건 각도 그림 1에서 같이. 입사 각도 로이드의 설치를 회전 하 여 조정 될 수 있습니다.

2. 정기적인 배열 준비

참고: 샘플은 제조 업체에 의해 제안 된 표준 절차에 따라 준비. 모든 절차는 실 온에서 수행 됩니다.

1. 1 cm² 유리 기판을 사용 하 여. 메탄올과 아세톤 초음파 목욕에서 각 10 분와 유리를 청소 하 고 먼지를 제거 하는 1 h 200 ° C에서 뜨거운 접시에 미리 구워.
2. 스핀-코트 5 nm 두꺼운 접착 층으로 유리 기판 및는 100 nm 두꺼운 부정적인 수 8 감광 제 2 단 회전 coater를.
   1. 100에 가까운 두께 제어할 수 있도록 1:5 (v/v)의 비율에서 감마 Butyrolactone와 수-8 포토 레지스트를 희석 스핀 코팅 후 nm.
   2. 3-5 방울 (0.2 mL) 유리 기판에 600 rpm 10 s와 1 분, 3600 rpm에서 스핀 접착 솔루션을 연속적으로 분배.
   3. 같은 속도로 단계 2.2.1에서에서 2.2.2 5-7 (0.3 mL) 방울과 희석된 수-8의 단계를 반복 합니다.
      참고: 접착 레이어는 포토 레지스트를 개발 하는 동안 벗기다 것 이다 있도록는 감광 유리 기판 사이의 접착을 향상 시킵니다. 수-8 층의 두께 농도 스핀 coater의 속도 의해 제어 됩니다.
3. 1 분에 65 ° C와 95 ° C 플레이트에 샘플 prebake 오븐 여기 권장 하지 않습니다.
4. 간섭계에 프리즘을 샘플을 전송. 굴절율 매칭 오일 한 방울을 추가 (n = 1.45) 프리즘에 샘플을 첨부. 배치 가능한 거울에 가까운.
   참고: 샘플 기름의 표면 장력으로 인해 프리즘 표면에 부착 되어. 기름의 굴절률 프리즘 및 유리 기판 방해에서 다시 반사 제거로 동일 하 게 선택 됩니다.
5. 2 차원 사각형 격자에 대 한 노출 노출 동시 직교 방향;와 두 번 샘플 즉, 샘플 하 고으로 두 번째 노출에 대 한 90도 회전. 감광 제 325 nm 빛에 노출 되 면 그것은 crosslinks 고 수-8 개발자에 의해 녹을 수 없습니다.
   참고: 배열의 직경 D는 노출 시간을 조정 하 여 제어할 수 있습니다.
6. 열심히 구워 65 ° C와 영화 크래킹을 방지 하기 위해 2 분 동안 95 ° C에서 샘플.
7. 전체 샘플 분해 노출 되지 않은 지역에 지속적인 동요와 함께 2 분 동안 개발자에 젖어.
8. 샘플 1 분 오차를 헹 구 고 다음 압축 공기 건조 이소프로필 알코올에 담가. Nanohole 배열 다음 생산 됩니다.

3. 금 필름 증 착 및 빛이 미터 코팅

1. 스퍼터 링 증 착 시스템 Au 필름 증 착을 위한 더블 양면 테이프와 라디오 주파수 마의 샘플 홀더를 샘플을 연결 합니다.
2. 2 x 10^-6 Torr 기본 압력 터보 분자 펌프를 사용 하 여 챔버를 펌프 하 고 다시 6 x 10^-3 Torr 초고 순도 Ar 가스와 그것을 채우기.
3. 5 cm 직경 99.9 %Au 대상을 사용 하 고 샘플와 대상 사이의 셔터를 배치. 증 착 률을 줄이기 위해 낮은 전력 (50 W)를 사용 하 여 표면 거칠기에 뿐만 아니라. 셔터 폐쇄, 먼지를 제거 하는 10 분 동안 대상의 스퍼터 사전.
4. 20 분 동안 실 온에서 증 착 처리에 셔터를 엽니다. 필름 두께 100 nm plasmonic 시스템 광학 두께 없습니다 전송 되도록 정기적으로 입금 됩니다.
5. 샘플 준비가 되 면, 스핀 코트 발광 재료 유기 염료 등 양자 점 유의 얇은 층을 형성 하는 금속 표면에.
   1. Styryl 8 염료 참조⁹사용에 대 한 폴 리 비닐 알코올 폴리머 (PVA) 메탄올의 5 ml에서의 styryl 8, 500 µ g의 20 µ g을 분해.
   2. 샘플 염료 솔루션의 3-5 방울 (0.2 mL)를 분배 하십시오 그리고 연속적으로 600 rpm 10 s와 1 분에 3600 rpm에 회전. 두께 80을 것으로 추정 된다 nm.
      참고: 물 가용성 또는 불용 성 고분자 발광 재료의 종류에 따라 고정 자료로 사용할 수 있습니다. 그러나, 폴리머 photoluminescence 측정을 방해 하지 것 이다 그래야 비 브 이어야 한다. 폴리머 폴 리 비닐 알코올 (PVA) rhodamine 6g 등 수용 성 염료 및 styryl 8 해산에 대 한 것이 좋습니다.

4. 반사율 측정 SPP 감소율을 결정 하기 위한

참고: 반사 분광학 편광 각도 해결 설치 그림 2에 표시 됩니다. 샘플 방위 각도 (3 단계) 뿐만 아니라 샘플 방향 (1 단계)와 탐지 각도 (단계 2) 독립적으로 변경에 대 한 3 개의 회전 단계와 각도 그것에 의하여 이루어져 있다.

1. 광원으로 석 영 램프에서 광대역 하얀 빛을 사용 합니다. 다중 모드 광섬유 번들에 부부 먼저 고 일 직선상 얼굴 렌즈 (5 X 및 X 60)의 쌍에 의해 그것을 당기기. 샘플 방향을 변경 하 여 다른 사건 각 샘플에 광선을 밝히는. 분극 의존 측정용 샘플 전후 사건 편광판 및 검출 분석기의 쌍을 배치 합니다.
   참고: 얼굴에 목표는 렌즈 시스템을 collimates 다중 모드 광섬유에서 백색 광원을 확장 역할을 합니다.
2. 다중 모드 광섬유를 사용 하 여 반사 반사는 분석기와 분광학을 위한 CCD 감지기에 연결 되어 있는 샘플에서 수집.
3. 신중 하 게 되도록 샘플 오리엔테이션 단계와 탐지 회전 단계 동심, 설치 프로그램을 정렬 , 즉., 그들의 회전 축이 일직선 상에.
4. 플랫 누구나 영화와 함께 설치를 보정. 다른 입사 각도에서 반사 스펙트럼을 측정 하 고 알려진된 누구나 유 전체 기능을 사용 하 여 프레넬 방정식에 의해 계산 된 이론적인 반사 스펙트럼과 그들을 비교. 두 데이터 집합의 오류 5% 미만으로 일관 되어야 합니다.
5. 설치 준비가 되 면는 선형 편광, p 또는 s, 다른 사건 각 샘플의 반사 스펙트럼을 측정 합니다. 입사 각도의 단계 크기는 0.5 ° 고 파장 분해능은 0.66 nm. 여러 사건 각도에서 스펙트럼을 수집, 제어 프로그램은 자동화 기계 동작, 셔터 제어, 데이터 수집, 배경 빼기, 등등을 포함 하 여 작성 된.
   참고:이 단계는 계산 수행 됩니다. 프로그램은 요청 시 이용 가능. 필요한 경우 소스 코드에 대 한 해당 작성자에 게 이메일을 보내주시기 바랍니다.
6. 컨투어 플롯 모드 식별 및 감퇴 속도 확인을 위해 plasmonic 시스템의 분산 관계를 파장 및 사건 각 대 반사.
   참고: 샘플 방위 각도 브 릴 루 앵 영역에서 위치를 찾는 것입니다. 예를 들어 정사각형 격자 샘플을 회전 샘플 azimuthally의 기간 중 사고 비행기와 평행 하다 고 Γ-X 방향으로 정의 합니다. 45 ° Γ M 방향을 정의 하는 샘플을 회전 합니다.
7. 편광 사건에서 설정 된 경우 사고 비행기 및 분석기 45 °-45 °, 직교, 또는 교차 편광, 반사 매핑 측정.
8. P-편광과 직교 반사 스펙트럼을 추출 하 고 CMT^9,,1213를 사용 하 여 그들을 맞는 SPPs의 감소율을 결정 하는 토론에 설명 된 대로.

5. Photoluminescence 방출 전력 비를 결정 하기 위한 측정

참고: 각도 및 양극 화 해결 photoluminescence 설치는 그림 3에 표시 됩니다.

1. 514 nm의 아르곤 이온 또는 633 nm HeNe 레이저와 광대역 광원을 교체 합니다. 레이저 라인 필터를 사용 하 여 전체 폭 절반 최대 (FWHM) 5 미만 nm 레이저를 괴기 하 게 청소 하 고 레이저 광선의 편광 상태를 제어 하는 반 파 접시를 놓습니다. 각도 탐지 단위 변경 되지 않습니다. 장소는 노치 필터 탐지 단위 오일안에 묻은 레이저 라인을 제거 하기 전에.
   참고: 레이저의 파장 발광 재료의 종류에 따라 달라 집니다. 더 높은 광 양자 에너지 짧은 방출 파장을 가진 소재를 흥분 시키기 위해 필요 합니다.
2. 식 (2) & (3)에 대 한 방출 전력 비율을 측정 하기 위해 두 가지 유형의 측정 실시: 탐지 및 사건 검색. 사건 및 탐지 검사 사이 상호 작용 결정에서 원조 , , , 및 .
3. 사건 검색, 입사 각도 지속적으로 다르지만 일반 샘플에 대해 탐지 각도 수정 합니다.
   참고:이 단계는 계산 수행 됩니다. 이 구성에는 선택적으로 선택한 탐지 각도에서 방출의 변화를 모니터링 하는 동안 종속 사건 각도 들어오는 SPPs 흥분. 즉, 방출 입사 각도 방정식을 식 (1)에 일치 하는 단계를 충족 하는 때 증가 한다.
   1. 컨투어 플롯 photoluminescence 스펙트럼 파장 및 사건 검색 매핑 입사 각도 대 한. 다른 탐지 각도 대 한 매핑을 측정 하지만 상대 농도 같은 찾을 수 있습니다. 따라서, 사건 검색 방출 또는 단순히 여기 향상, 측정할 수 있는에 들어오는 SPPs의 효과 조사 및 .
4. 검색 검색에 대 한 일반 샘플에 대해 입사 각도 수정 하지만 탐지 각도 다.
   참고:이 단계는 계산 수행 됩니다.
   1. 마찬가지로, 컨투어 플롯 photoluminescence 스펙트럼 파장 및 탐지 각도 수익률 감지 스캔 매핑. SPP 방출 SPPs의 방사선 감쇠에서 발생, 방출 강하게 의존 탐지 각도입니다. 따라서, 지속적인 여기에서 방출 증가 탐지 각 식 (1)을 충족 하는 경우. 이 방출 향상 프로브 구성과 결정 수 있습니다 다른 α^일 주문으로 그것은 잘 정의 된 탐지 각도 의존.

결과

Au 주기적 배열의 예로 그림 4a⁸인세트에서 주어진 다. 평면 뷰 SEM 이미지 샘플은 510의 기간으로 2 차원 사각 격자 원형 구멍 배열 표시 nm, 280의 구멍 깊이 nm, 그리고 140의 구멍 직경 nm. Γ X 방향을 따라 촬영 p-편광 반사 매핑 그림 4a에 표시 됩니다. 대시 선 방정식 eq. (1) 나타내는 일치 하는 단계에 의해 계산 됩니다 (m =-1, n = 0) SPPs는 흥분.

편광판 및 분석기 직각 위치에서 설정, 해당 반사 매핑 그림 4b에 표시 됩니다. 우리 참조 매핑을 선형 편광의 매핑을 배경 지금 제로가 아닌 공 진 반사는 분석...

토론

이 프로토콜에서 몇 가지 중요 한 단계가 있습니다. 첫째, 기계적 안정성은 시료 준비에 중요 합니다. 서 파 로이드의 설치 프로그램에 의해 생성 된 두 개의 조명 광선의 위상 차이에 민감한입니다. 따라서, 노출 시간 동안 어떤 진동 균일성과는 nanohole의 가장자리 선명도 저하 됩니다. 그것은 높은 진동 없는 환경, 예를 들면, 진동 격리 지원으로 광학 테이블에서 작동 하도록 것이 좋습니다. 또한, 고 출력 레이저는 또한 그것은 적절 하 게 노출 시간을 줄일 수 진동을 최소화 하기 위해 원하는. 둘째, pinhole 단계 1.1에서에서 제대로 선택 되어야 한다. 구멍 크기는 한쪽에 청소 모드를 수행 하려면 충분히 작은 여전히 큰 만큼 다른 쪽에 노출에 대 한 충분 한 전력을 전송 해야 한다. 50 μ m 작은 구멍 및 HeCd 다중 모드 레이저에 대 한 13 X 목표는 것이 좋습니다. 셋째, Lorentzian 선 모양을 직교 반사의은 유효한만 때_p≈ r_s, p 및 s-...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
SU-8	MicroChem	SU-8 2000.5
접착 용액	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
셔터	Thorlabs	SH05
샘플 준비용 대물	Newport	U-13X
핀홀	Newport	PNH-50
Iris	Newport	M-DI47.50
Prism	Thorlabs	PS611
샘플 준비를 위한 회전 스테이지	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
측정용 대물렌즈	Newport	M-5X & M-60X
편광판 & 분석기	Thorlabs	GT15
다중 모드 광섬유	Thorlabs	BFL105LS02
분광계	Newport	MS260i
CCD	Andor	DV420-OE
514nm 아르곤 이온 레이저	스펙트럼 물리학	177-G01
633nm HeNe 레이저	Newport	R-32413
CdSeTe 양자점	Thermo Fisher Scientific	q21061mp
폴리비닐 알코올 폴리머(PVA)	SIGMA-ALDRICH	363073
제어 프로그램	National Instruments	LabVIEW