Name: Wyznaczanie współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-07-21T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 39 s
Description: Poznaj metodę pomiaru współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych w metalowych układach okresowych przy użyciu spektroskopii o rozdzielczości kątowej i polaryzacyjnej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie było wspierane przez Chiński Uniwersytet w Hongkongu poprzez bezpośrednie granty 4053077 i 4441179, RGC Competitive Earmarked Research Grants, 402812 i 14304314, oraz Area of Excellence AoE/P-02/12.

1. Konfiguracja litografii interferencyjnej
UWAGA: Litografia interferencyjna jest wykorzystywana do wytwarzania macierzy okresowych12. Schematyczny układ, przedstawiony na Rysunku 1, jest skonstruowany w następujący sposób:
<ol>
	<li>Skupuj wiązkę lasera HeCd o długości fali 325 nm przez obiektyw UV 13X i przeprowadź ją przez 50 μm przestrzenny filtr oparty na otworku do czyszczenia modów.</li>
	<li>Umieść dwa przysłony o średnicy 2,5 cm w odległości 30 cm jedna od drugiej, aby dodatkowo przefiltrować centralny obszar rozbiegającego się światła. Po drugiej przysłonie średnica wiązki wynosi 2,5 cm i zwiększa się bardzo powoli wraz z odległością, co jest &lt; 3 cm w odległości 1 m od drugiej przysłony. Przyjmuje się, że światło jest niemal kolimowane. 
	UWAGA: Wynik z drugiej tęczówki powinien być jednolity przy ocenie go gołym okiem.</li>
	<li>Skieruj skolonizowaną wiązkę do interferometru zwierciadła Lloyda. Układ Lloyda zawiera uchwyt do próbek oparty na pryzmacie oraz lustro o długości 5,04 cm umieszczone prostopadle do niego. Bezpośrednie i odbite oświetlenie wspólnie tworzą stabilną falę stojącą wzdłuż powierzchni próbki w celu wykonania wzorca. Pryzmat pełni funkcję urządzenia antyrefleksyjnego. 
	UWAGA: Okres P fali stojącej można zapisać jako: <img alt="Wzór na dyfrakcję \( P = \lambda/(2\sin\alpha) \), równanie matematyczne." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 9">, gdzie λ = 325 nm, a α to kąt padania względem normalnej do próbki, co przedstawiono w Rysunek 1Kąt padania można dostroić poprzez obracanie układu Lloyda.</li>
</ol>
2. Przygotowanie macierzy okresowej
UWAGA: Próbkę przygotowano zgodnie ze standardową procedurą sugerowaną przez producenta. Wszystkie czynności wykonano w temperaturze pokojowej.
<ol>
	<li>Użyć szklanego podłoża o wymiarach 1 cm2. Oczyścić szkło metanolem i acetonem po 10 min każde w kąpieli ultradźwiękowej, a następnie wstępnie wypiekać na płycie grzejnej w temperaturze 20 °C przez 1 h w celu usunięcia zanieczyszczeń.</li>
	<li>Nanieść na podłoże szklane metodą spin-coatingu warstwę adhezyjną o grubości 5 nm oraz negatywny fotorezyst SU-8 o grubości 10 nm, korzystając z dwubiegowej wirówki do powlekania.
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć fotorezyst SU-8 w gamma-butyrolaktonie w stosunku 1:5 (v/v), aby umożliwić kontrolę grubości warstwy w wartości zbliżonej do 10 nm po procesie spin-coatingu.</li>
		<li>Nanieść 3-5 kropli (0,2 mL) roztworu adhezyjnego na podłoże szklane i wirować kolejno przy 60 rpm przez 10 s oraz przy 360 rpm przez 1 min.</li>
		<li>Powtórzyć krok 2.2.2, używając 5-7 (0,3 mL) kropli rozcieńczonego SU-8 z kroku 2.2.1 przy tych samych prędkościach. 
		UWAGA: Warstwa adhezyjna poprawia przyczepność między podłożem szklanym a fotorezystem, aby zapobiec jego odwarstwianiu się podczas wywoływania. Grubość warstwy SU-8 jest kontrolowana przez stężenie oraz prędkość wirówki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wstępnie wypiekać próbkę na płytach grzejnych w temperaturach 65 °C i 95 °C po 1 min każdorazowo. W tym etapie nie zaleca się stosowania pieców.</li>
	<li>Przenieść próbkę do pryzmatu w interferometrze. Dodać kroplę olejku dopasowującego współczynnik załamania (n=1,45), aby przymocować próbkę do pryzmatu. Umieścić ją jak najbliżej lustra. 
	UWAGA: Próbka przylega do powierzchni pryzmatu dzięki napięciu powierzchniowemu olejku. Współczynnik załamania olejku dobrano tak, aby był taki sam jak dla pryzmatu i podłoża szklanego, co eliminuje odbicie wsteczne z interferencji.</li>
	<li>W przypadku dwuwymiarowej sieci kwadratowej, naświetlić próbkę dwukrotnie przy tym samym czasie ekspozycji, ale w kierunkach ortogonalnych; tzn. naświetlić próbkę, a następnie obrócić ją o 90° przed drugim naświetlaniem. Po naświetleniu światłem o długości fali 325 nm fotorezyst sieciuje i nie może zostać rozpuszczony przez wywoływacz SU-8. 
	UWAGA: Średnicą D macierzy można sterować poprzez regulację czasu naświetlania.</li>
	<li>Wygrzać próbkę (hard bake) w temperaturach 65 °C i 95 °C przez 2 min, aby zapobiec pękaniu filmu.</li>
	<li>Zanurzyć całą próbkę w wywoływaczu na 2 min przy ciągłym mieszaniu w celu rozpuszczenia obszarów nienaświetlonych.</li>
	<li>Zanurzyć próbkę w alkoholu izopropylowym na 1 min, aby wypłukać pozostałości, a następnie osuszyć sprężonym powietrzem. W ten sposób powstaje macierz nanootworów.</li>
</ol>
3. Osadzanie filmu złota i powlekanie emitera światła
<ol>
	<li>Przymocuj próbkę do uchwytu w systemie napylania magnetronowego wysokiej częstotliwości za pomocą taśmy dwustronnej w celu nanoszenia warstwy Au.</li>
	<li>Odpompuj komorę do ciśnienia bazowego 2x10-6 Torr za pomocą pompy turbomolekularnej, a następnie ponownie napełnij ją argonem o ultrawysokiej czystości (Ar) do ciśnienia 6x10-3 Torr.</li>
	<li>Użyj tarczy z Au o czystości 9,9% i średnicy 5 cm oraz umieść przesłonę między próbką a tarczą. Zastosuj niską moc (50 W), aby zmniejszyć szybkość osadzania oraz chropowatość powierzchni. Przy zamkniętej przesłonie przeprowadź wstępne napylanie tarczy przez 10 min w celu usunięcia zanieczyszczeń.</li>
	<li>Otwórz przesłonę, aby przeprowadzić proces nanoszenia w temperaturze pokojowej przez 20 min. Rutynowo nanosi się warstwę o grubości 10 nm, aby zapewnić, że system plazmonowy jest optycznie gruby i nie wykazuje transmisji.</li>
	<li>Po przygotowaniu próbki, nanieś metodą spin-coatingu materiały emitujące światło, takie jak barwniki organiczne lub kropki kwantowe, na powierzchnię metalu, aby utworzyć cienką warstwę dielektryka.
	<ol>
		<li>W przypadku barwnika styryl 8 użytego w referencji9, rozpuść 20 µg styryl 8 oraz 500 µg polimeru alkoholu poliwinylowego (PVA) w 5 mL metanolu.</li>
		<li>Nanieś 3-5 kropli (0,2 mL) roztworu barwnika na próbkę i wiruj przy 60 rpm przez 10 s, a następnie przy 3600 rpm przez 1 min. Grubości warstwy szacuje się na 80 nm. 
		UWAGA: W zależności od rodzaju materiału emitującego można zastosować polimer rozpuszczalny lub nierozpuszczalny w wodzie jako materiał kotwiczący. Polimer ten powinien być jednak nieemitujący, aby nie zakłócał pomiarów fotoluminescencji. Do rozpuszczania barwników rozpuszczalnych w wodzie, takich jak rodamina 6G i styryl 8, zaleca się stosowanie polimeru alkoholu poliwinylowego (PVA).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Pomiary odblaskowości w celu wyznaczenia szybkości zaniku SPP
UWAGA: Układ spektroskopii odbiciowej z rozdzielczością polaryzacyjną i kątową przedstawiono na Rysunku 2. Składa się on z goniometru z trzema stopniami obrotu, służącymi do niezależnej zmiany orientacji próbki (stopień 1), kąta detekcji (stopień 2) oraz azymutalnego kąta próbki (stopień 3).
<ol>
	<li>Jako źródło światła należy wykorzystać szerokopasmowe białe światło z lampy kwarcowej. Najpierw należy wprowadzić je do wiązki światłowodów wielomodowych, a następnie skolimować za pomocą pary współosiowych, ustawionych naprzeciw siebie obiektywów (5X i 60X). Wiązkę światła należy skierować na próbkę pod różnymi kątami padania, zmieniając orientację próbki. W celu przeprowadzenia pomiarów zależnych od polaryzacji przed i za próbką należy umieścić polaryzator wejściowy oraz analizator detekcyjny. 
	UWAGA: Obiektywy czoło w czoło pełnią funkcję układu soczewek, który kolimuje i rozszerza źródło białego światła z włókna wielomodowego.</li>
	<li>Należy użyć włókna wielomodowego do zbierania odbicia zwierciadlanego z próbki, które jest podłączone do spektrometru i detektora CCD w celu przeprowadzenia spektroskopii.</li>
	<li>Dokładnie ustaw aparatę, aby zapewnić współśrodkowość zarówno stopnia orientacji próbki, jak i stopni rotacji detekcji, t. j.ich osie obrotu są współliniowe.</li>
	<li>Zkalibrować układ za pomocą płaskiej warstwy Au. Zmierzyć widma odbicia pod różnymi kątami padania i porównać je z teoretycznymi widmami odbicia obliczonymi za pomocą równań Fresnela przy użyciu znanej funkcji dielektrycznej Au. Oba zestawy danych powinny być zgodne z błędem nieprzekraczającym 5%.</li>
	<li>Po przygotowaniu układu pomiarowego należy zmierzyć widma odbicia próbki dla światła liniowo spolaryzowanego (p lub s) pod różnymi kątami padania. Krok kąta padania wynosi 0.5° a rozdzielczość falowa wynosi 0,6 nm. W celu zarejestrowania widm pod różnymi kątami padania napisano program sterujący do automatyzacji procesu, obejmujący ruch mechaniczny, sterowanie migawką, akwizycję danych oraz odejmowanie tła, itd.. 
	UWAGA: Ten etap jest wykonywany obliczeniowo. Program jest dostępny na żądanie. W razie potrzeby prosimy o przesłanie wiadomości e-mail do autora korespondencyjnego w celu uzyskania kodu źródłowego.</li>
	<li>Narysuj wykres konturowy współczynnika odbicia w funkcji długości fali i kąta padania, aby uzyskać relację dyspersyjną układu plazmonicznego w celu identyfikacji modów i wyznaczenia szybkości zaniku. 
	UWAGA: Azymutalny kąt próbki służy do wyznaczenia położenia w strefie Brillouina. Na przykład w przypadku próbki o sieci kwadratowej należy obrócić próbkę azymutalnie tak, aby jeden z jej okresów był równoległy do płaszczyzny padania; definiuje to kierunek Γ-X. Obrócić próbkę o 45° aby zdefiniować kierunek Γ-M.</li>
	<li>Jeśli polaryzacja światła padającego jest ustawiona na 45° względem płaszczyzny padania, a analizator znajduje się w pozycji -45°zmierz mapowanie odblaskowości ortogonalnej, czyli polaryzacji krzyżowej.</li>
	<li>Wyekstrahuj widma odbicia dla polaryzacji p oraz ortogonalnej i dopasuj je, wykorzystując CMT.9,12,13, jak opisano w sekcji Dyskusja, w celu wyznaczenia szybkości zaniku SPP.</li>
</ol>
5. Pomiary fotoluminescencji w celu wyznaczenia stosunku mocy emisji
Uwaga: Układ do pomiaru fotoluminescencji z rozdzielczością kątową i polaryzacyjną przedstawiono na Rysunku 3.
<ol>
	<li>Zastąp szerokopasmowe źródło światła laserem jonowym argonu o długości fali 514 nm lub laserem HeNe o długości fali 63 nm. Użyj filtra linii laserowej o pełnej szerokości połówce maksymalnej (FWHM) mniejszej niż 5 nm w celu oczyszczenia widmowego lasera oraz umieść płytkę półfalową, aby kontrolować stan polaryzacji wiązki laserowej. Goniometr i jednostka detekcyjna pozostają bez zmian. Przed jednostką detekcyjną umieść filtr zaporowy (notch filter), aby usunąć linię laserową, która przesłania luminescencję. 
	UWAGA: Długość fali lasera zależy od rodzaju materiałów emitujących. Wyższa energia fotonów jest wymagana do wzbudzenia materiału o krótszej długości fali emisji.</li>
	<li>Aby zmierzyć stosunek mocy emisji dla równania (2) &amp; (3), przeprowadza się dwa rodzaje pomiarów: skan detekcyjny oraz skan padający. Współzależność między skanem padającym a detekcyjnym pomaga w określeniu <img alt="Równanie równowagi statycznej, ΣFx=0, schemat wektorowy ilustrujący równowagę sił, zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10">, <img alt="symbol równania Pd^w/o, istotny dla badań z zakresu dynamiki płynów lub termodynamiki." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">, <img alt="Symbol równowagi statycznej, schemat; ΣFx=0, MA=0; do celów edukacyjnych i badawczych." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 12">i <img alt="Schemat równowagi statycznej, ΣFx=0, równanie wykazujące równowagę sił, edukacyjne narzędzie fizyczne." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 13">.</li>
	<li>W przypadku skanowania kąta padania należy zmieniać kąt padania w sposób ciągły, utrzymując stały kąt detekcji względem normalnej do próbki. 
	UWAGA: Ten etap jest realizowany obliczeniowo. Konfiguracja ta selektywnie wzbudza wpadające polarytony powierzchniowe (SPP), których wzbudzenie zależy od kąta padania, przy jednoczesnym monitorowaniu zmian emisji pod wybranym kątem detekcji. Innymi słowy, emisja wzrasta, gdy kąt padania spełnia równanie dopasowania fazowego przedstawione w rów. (1).
	<ol>
		<li>Należy sporządzić wykres konturowy widm fotoluminescencji w zależności od długości fali oraz kąta padania dla mapowania z przeskanowaniem kąta padania. Mapowania przeprowadzono dla różnych kątów detekcji, jednak stwierdzono, że natężenia względne są takie same. Zatem skanowanie kąta padania bada wpływ przychodzących powierzchniowych plazmonów polarytonowych (SPPs) na emisję lub po prostu wzmocnienie wzbudzenia, co pozwala nam zmierzyć <img alt="Równanie równowagi statycznej, ΣFx=0, schemat wektorowy ilustrujący równowagę sił, zastosowanie edukacyjne." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 10"> i <img alt="Symbol równania Pd^w/o, istotny dla badań nad dynamiką płynów lub termodynamiką." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W przypadku skanowania detekcyjnego należy ustalić kąt padania względem normalnej do próbki, zmieniając natomiast kąt detekcji. 
	UWAGA: Ten krok jest wykonywany obliczeniowo.
	<ol>
		<li>Podobnie, sporządzenie wykresu konturowego widm fotoluminescencji w zależności od długości fali i kąta detekcji pozwala na uzyskanie mapowania skanowania detekcji. Ponieważ emisja SPP wynika z tłumienia radiacyjnego SPP, emisja jest silnie zależna od kąta detekcji. W związku z tym, przy stałym wzbudzeniu, emisja wzrasta, gdy kąt detekcji spełnia równanie (1). Ta konfiguracja pozwala badać wzmocnienie emisji i umożliwia nam określenie <img alt="Symbol równowagi statycznej, schemat; ΣFx=0, MA=0; do celów edukacyjnych i badawczych." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 12"> dla różnych wartości αth pod warunkiem, że wykazuje ono dobrze zdefiniowaną zależność od kąta detekcji.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Okamoto, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-plasmon-enhanced+light+emitters+based+on+InGaN+quantum+wells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells.</a> Nature Materials. 3 (9), 601-605 (2004).</li>
<li>Akselrod, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leveraging+Nanocavity+Harmonics+for+Control+of+Optical+Processes+in+2D+Semiconductors%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors.</a> Nano Letters. 15 (5), 3578-3584 (2015).</li>
<li>Gontijo, I., et al. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.60.11564">Coupling of InGaN quantum-well photoluminescence to silver surface plasmons.</a> Physical Review B. 60 (16), 11564(1999).</li>
<li>Huang, K. C. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Antenna+electrodes+for+controlling+electroluminescence%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Antenna electrodes for controlling electroluminescence.</a> Nature Communications. 3, 1005(2012).</li>
<li>Atwater, H. A., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonics+for+improved+photovoltaic+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Plasmonics for improved photovoltaic devices.</a> Nature Materials. 9 (3), 205-213 (2010).</li>
<li>Anker, J. N., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nmat2162">Biosensing with plasmonic nanosensors.</a> Nature Materials. 7 (6), 442-453 (2008).</li>
<li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.2956391">Excitation enhancement of CdSe quantum dots by single metal nanoparticles.</a> Applied Physics Letters. 93 (5), 053106(2008).</li>
<li>Birowosuto, M. D., Skipetrov, S. E., Vos, W. L., Mosk, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+Spatial+Fluctuations+of+the+Local+Density+of+States+in+Random+Photonic+Media%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Observation of Spatial Fluctuations of the Local Density of States in Random Photonic Media.</a> Physical Review Letters. 105 (1), 013904(2010).</li>
<li>Cao, Z. L., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4811749">Determination of coupling rate of light emitter to surface plasmon polaritons supported on nanohole array.</a> Applied Physics Letters. 102 (24), 241109(2013).</li>
<li>Lin, M., Cao, Z. L., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+excitation+rate+of+quantum+dots+mediated+by+momentum-resolved+Bloch-like+surface+plasmon+polaritons%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Determination of the excitation rate of quantum dots mediated by momentum-resolved Bloch-like surface plasmon polaritons.</a> Optics Express. 25 (6), 6029-6103 (2017).</li>
<li>Nikolaev, I. S., Lodahl, P., Driel, A. F. V., Koenderink, A. F., Vos, W. L. <a target="_blank" href="https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.75.115302">Strongly nonexponential time-resolved fluorescence of quantum-dot ensembles in three-dimensional photonic crystals.</a> Physical Review B. 75 (11), 115302(2007).</li>
<li>Cao, Z. L., Lo, H. Y., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+absorption+and+radiative+decay+rates+of+surface+plasmon+polaritons+from+nanohole+array%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Determination of absorption and radiative decay rates of surface plasmon polaritons from nanohole array.</a> Optics Letters. 37 (24), 5166-5168 (2012).</li>
<li>Haus, H. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHaus%2C+HA+%22Waves+and+Fields+in+Optoelectronics%22">Waves and Fields in Optoelectronics</a>. , Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J. (1984).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

W niniejszym protokole istnieje kilka krytycznych etapów. Po pierwsze, kluczowa jest stabilność mechaniczna podczas przygotowania próbki. Fala stojąca generowana przez układ Lloyda jest wrażliwa na różnicę faz między dwiema wiązkami oświetlającymi. W związku z tym jakiekolwiek drgania podczas czasu ekspozycji pogorszą jednorodność oraz ostrość krawędzi nanootworu. Zdecydowanie zaleca się pracę w środowisku wolnym od wibracji. np., stół optyczny z podzespołami do izolacji drgań. Ponadto, w celu zminimalizowania w...

Ostatnio zwrócono dużą uwagę na fluorescencję pośredniczoną przez plazmony powierzchniowe (SPMF)1,2,3,4,5,6. Gdy źródła światła znajdują się w bliskiej odległości od układu plazmonowego, energia może być przenoszona między emiterami a powierzchniowymi polarytonami plazmonowymi (SPP). Ogólnie rzecz biorąc, silne pola plazmonowe mogą znacznie wzmocnić wzbudzenie emiterów2. Jednocześnie tempo emisji również wzrasta dzięki dużej gęstości stanów tworzonych przez SPP, co prowadzi do znanego efektu Purcella3. Oba te procesy działają łącznie, dając efekt SPMF. Ponieważ SPMF stymuluje wiele zastosowań w oświetleniu stanowiskowym1,4, pozyskiwaniu energii5 i wykrywaniu cząsteczek biologicznych6, obecnie jest intensywnie badane. Szczególnie ważna jest wiedza na temat szybkości transferu energii od SPP do emiterów i na odwrót, tj. szybkości wzbudzenia i sprzęgania. Jednak procesy wzbudzenia i emisji są zazwyczaj ze sobą splątane, a badania w tej dziedzinie wciąż są niewystarczające. Na przykład większość badań określa jedynie współczynnik sprawności wzbudzenia, który po prostu porównuje emisję w obecności i w nieobecności SPP7. Dokładny pomiar szybkości wzbudzenia wciąż pozostaje niezrealizowany. Z drugiej strony, konwencjonalne techniki czasowo-rozróżnialne, takie jak spektroskopia czasu życia fluorescencji, są powszechnie stosowane do badania dynamiki procesu emisji, ale nie pozwalają oddzielić szybkości sprzęgania od całkowitej szybkości zaniku8. Tutaj opisujemy, jak można je wyznaczyć, łącząc model równań szybkości z teorią sprzężonych modów czasowych9,10. Co ciekawe, stwierdzamy, że szybkości wzbudzenia i sprzęgania można wyrazić za pomocą wielkości mierzalnych, do których można uzyskać dostęp poprzez pomiary spektroskopii odbiciowości oraz fotoluminescencji rozróżnialnych kątowo i polaryzacyjnie. Najpierw przedstawimy sformułowanie teoretyczne, a następnie szczegółowo opiszemy aparaturę pomiarową. Ta metoda opiera się wyłącznie na dziedzinie częstotliwości i nie wymaga żadnych dodatkowych urządzeń czasowo-rozróżnialnych, takich jak lasery ultra-szybkie czy czasowo-skorelowane liczniki pojedynczych fotonów, które są drogie i czasem trudne w realizacji8,11. Oczekujemy, że ta technika stanie się kluczowym narzędziem do wyznaczania szybkości wzbudzenia i sprzęgania między emiterami światła a rezonansowymi wnękami.
Zjawisko wzmocnienia emisji plazmonowej (SPMF) w układach periodycznych omówiono poniżej. W periodycznym układzie plazmonowym, w którym mogą być wzbudzane powierzchniowe fale plazmon-polaronowe (SPP) typu Blocha, emitory mogą być wzbudzane nie tylko bezpośrednio, ale również poprzez napływające SPP, a ich emisja może zachodzić poprzez odpływające SPP, zamiast poprzez bezpośrednią emisję. Oznacza to, że prócz efektywności wzbudzenia η i szybkości samorzutnej emisji Γr, emitory mogą być wzbudzane przez napływające SPP i rozpraszać energię poprzez odpływające SPP. Innymi słowy, podczas rezonansowego wzbudzenia powstają napływające SPP, które generują silne pola plazmonowe pobudzające emitory. Gdy emitory zostaną wzbudzone, energia może być przekazywana do odpływających SPP, które następnie promieniście rozpraszają się w pole dalekie, prowadząc do wzmocnionej emisji. To właśnie definiuje zjawisko SPMF. Dla prostych emitorów dwupoziomowych wzbudzenie oznacza zwiększoną liczbę przejść elektronów ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, natomiast emisja to przejście elektronów z powrotem do stanu podstawowego, towarzyszone emisją fotonów o długościach fal odpowiadających różnicy energii między stanem wzbudzonym a stanem podstawowym. Warunki wzbudzenia i emisji dla SPMF muszą spełniać dobrze znaną równość dopasowania fazy, umożliwiającą wzbudzenie napływających i odpływających SPP9
<img alt="Równanie siatki w analizie dyfrakcji optycznej; wzór do badania sprawności dyfrakcyjnej; równanie." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 1"> (1)
gdzie εa i εm to stałe dielektryczne dielektryków i metalu, θ i φ to kąty padania i azymutalne, P to okres struktury, λ to długość fali wzbudzenia lub emisji, a m i n to liczby całkowite określające rząd plazmonów powierzchniowych (SPP). W przypadku wzbudzenia, wektor falowy wiązki laserowej w płaszczyźnie ulega rozproszeniu Bragga, co prowadzi do dopasowania pędu z nadchodzącymi plazmonami powierzchniowymi, a kąty θ i φ razem definiują określone ustawienie padania wiązki, umożliwiające wzbudzenie plazmonów powierzchniowych w celu wzmocnienia absorpcji elektronicznej przy długości fali wzbudzenia λex. Podobnie, w przypadku emisji, wychodzące plazmony powierzchniowe ulegają odwrotnemu rozproszeniu Bragga, co umożliwia dopasowanie do linii światła, a kąty te reprezentują teraz możliwe kanały emisji przy długości fali emisji λem. Należy jednak zauważyć, że ponieważ emitory mogą sprzęgać swoją energię z wektorowymi rozprzestrzeniającymi się plazmonami powierzchniowymi o wektorze falowym <img alt="Wzór na wektor falowy plazmonu powierzchniowego, \(\vec{k}_{spp}\), kluczowy w badaniach fotonicznych." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">, który ma tę samą wartość bezwzględną <img alt="Rozchodzenie się plazmonu powierzchniowego; równanie: |k_spp|= (2π/λ_em)√(ε_aε_m/(ε_m+ε_a)); badania optyczne" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">, lecz różne kierunki, plazmony powierzchniowe mogą ulegać rozkładowi do pola dalekiego poprzez różne kombinacje (m,n) zgodnie z równaniem (1).
Korzystając z modelu równania szybkości i teorii sprzężonych trybów czasowych (CMT), stwierdzamy, że szybkość wzbudzenia Γex, tj. szybkość transferu energii od plazmonów powierzchniowych (SPP) do emiterów, może być wyrażona jako9,12,13
<img alt="Formuła wzbudzenia optycznego, Γex, diagram, istotna dla badań fotoniki, analizy absorpcji." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 4"> (2)
gdzie η to wspomniana wcześniej szybkość bezpośredniego wzbudzenia w przypadku braku przychodzących plazmonów powierzchniowych (SPP), Γtot to całkowita szybkość rozpadu przychodzących plazmonów powierzchniowych (SPP) <img alt="Równanie równowagi Γabs, Γrad, Γex w badaniach fotoniki, diagram szybkości absorpcji i emisji." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5">, w którym Γabs i Γrad to szybkości absorpcji omowej i rozpraszania promienistego plazmonów powierzchniowych (SPP), a <img alt="Równanie stosunków mocy w dynamice płynów, zawierające wyrażenie matematyczne Pw/Po." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6"> to stosunek mocy luminescencji fotonicznej z i bez przychodzących plazmonów powierzchniowych (SPP). Z drugiej strony, szybkość sprzężenia Γc, tj. szybkość transferu energii od emiterów do plazmonów powierzchniowych (SPP), może być zapisana jako:
<img alt="Równanie sprzężenia plazmonowego; schemat do badań fotonicznych; wzór do analizy wzbudzenia optycznego." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 7"> (3)
gdzie Γr to szybkość emisji bezpośredniej, <img alt="Równanie równowagi statycznej, pokazujące stosunek Pspp,k,a/Pd do analizy naukowej." src="/files/ftp_upload/56735/56735eq8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 8"> to stosunek mocy luminescencji fotonicznej między αtą degradacją pośrednictwem plazmonu powierzchniowego a kanałami bezpośrednimi, a Γradα i Γtot to szybkości rozpadu promieniującego dla αtego kanału oraz całkowite szybkości rozpadu. Zobaczymy, że choć wszystkie szybkości rozpadu plazmonów powierzchniowych można zmierzyć za pomocą spektroskopii odbiciowej, stosunek mocy emisji można wyznaczyć metodą spektroskopii luminescencji fotonicznej. Szczegóły sformułowań można znaleźć w odniesieniach9,10.

<table><tbody><tr><td>SU-8</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2000.5</td><td></td></tr><tr><td>Roztwór adhezyjny</td><td>MicroChem</td><td>Omnicoat</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Rozcieńczalnik (gamma-butyrolakton)</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2000 Rozcieńczalnik</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Deweloper</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 Developer</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Chemat Technology</td><td>KW-4A</td><td></td></tr><tr><td>HeCd laser</td><td>KIMMON KOHA CO., LTd</td><td>IK3552R-G</td><td></td></tr><tr><td>Migawka</td><td>Thorlabs</td><td>SH05</td><td></td></tr><tr><td>Obiektyw do przygotowania próbki</td><td>Newport</td><td>U-13X</td><td></td></tr><tr><td>Otworek</td><td>Newport</td><td>PNH-50</td><td></td></tr><tr><td>Iris</td><td>Newport</td><td>M-DI47.50</td><td></td></tr><tr><td>Pryzmat</td><td>Thorlabs</td><td>PS611</td><td></td></tr><tr><td>Stolik obrotowy do przygotowania próbki</td><td>Newport</td><td>481-A</td><td></td></tr><tr><td>System osadzania</td><td>Domowy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>obrót Etap 1</td><td>Obrót Newport</td><td>URM80ACC</td><td></td></tr><tr><td>Etap 2</td><td>Obrót Newport</td><td>RV120PP</td><td></td></tr><tr><td>Etap 3</td><td>Newport</td><td>SR50PP</td><td></td></tr><tr><td>Ramię detekcyjne</td><td>Domowa</td><td></td><td></td></tr><tr><td>lampa kwarcowa</td><td>Newport</td><td>66884</td><td></td></tr><tr><td>Wiązka światłowodowa</td><td>Newport</td><td>77578</td><td></td></tr><tr><td>Obiektyw do pomiaru</td><td>Newport</td><td>M-5X & Polaryzator M-60X</td><td></td></tr><tr><td>& Analizator</td><td>Thorlabs</td><td>GT15</td><td></td></tr><tr><td>Wielomodowy spektrometr</td><td>światłowodowy Thorlabs</td><td>BFL105LS02</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Newport</td><td>MS260i</td><td></td></tr><tr><td>CCD</td><td>Andor</td><td>DV420-OE</td><td></td></tr><tr><td>514nm Argon Ion</td><td>Laser Spectra-Physics</td><td>177-G01</td><td></td></tr><tr><td>633nm HeNe Laser</td><td>Newport</td><td>R-32413</td><td></td></tr><tr><td>CdSeTe kropka kwantowa</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>q21061mp</td><td></td></tr><tr><td>Polimer polialkoholu winylowego (PVA)</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>363073</td><td></td></tr><tr><td>Program kontrolny</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td></td></tr></tbody></table>

wyznaczanie współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Opracowaliśmy unikalną metodę pomiaru szybkości wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a powierzchniowymi polarytonami plazmonów (SPP) powstającymi z metalicznych układów okresowych bez angażowania technik czasowych. Sformułowaliśmy stawki według wielkości, które można zmierzyć za pomocą prostych pomiarów optycznych. Oprzyrządowanie oparte na spektroskopii odbicia i spektroskopii fotoluminescencyjnej o rozdzielczości kątowej i polaryzacyjnej zostanie szczegółowo opisane tutaj. Nasze podejście jest intrygujące ze względu na swoją prostotę, która wymaga rutynowej optyki i kilku etapów mechanicznych, a zatem jest bardzo przystępne cenowo dla większości laboratoriów badawczych.

Przykład periodycznej sieci złota przedstawiono na wkładce w Ryc. 4a8. Obraz w prostopadłej projekcji zarejestrowany przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego pokazuje, że próbka stanowi dwuwymiarową kwadratową sieć okrągłych otworów o okresie 510 nm, głębokości otworów 280 nm oraz średnicy otworów 140 nm. Przedstawiono mapowanie odbiciowości dla światła spolaryzowanego w płaszczyźnie (p), otrzymane wzdłuż kierunku Γ-X na <stro...

Ten protokół opisuje oprzyrządowanie do określania szybkości wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych podobnych do Blocha, powstających z układów okresowych.

Wyznaczanie współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące wzmacniania fluorescencji, takie jak fluorescencja za pośrednictwem plazmonów powierzchniowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że różnicuje ona procesy wzbudzenia i rozpadu fluorescencji powierzchniowej za pośrednictwem plazmonów całkowicie w dziedzinie częstotliwości. Przygotuj podłoże dla układu okresowego.Do tego eksperymentu użyj kawałka szkła o grubości jednego centymetra kwadratowego. Wyczyść go w kąpielach ultradźwiękowych z metanolu i acetonu przez 10 minut każda. Po zakończeniu umieść go na płycie grzejnej o temperaturze 200 stopni Celsjusza na godzinę.W przypadku etapów powlekania wirowego rozcieńczyć natywny fotorezystor rozcieńczalnikiem i przygotować roztwór adhezyjny. Przenieś szklane podłoże do powlekarki wirowej i nałóż na nie od trzech do pięciu kropli roztworu adhezyjnego. Wiruj podłoże z prędkością 600 obr./min przez 10 sekund, a następnie 3 600 obr./min przez jedną minutę.Następnie umieść pięć do siedmiu kropli rozcieńczonego fotorezystu na podłożu. Wiruj podłoże z prędkością 600 obr./min przez 10 sekund, a następnie 3 600 obr./min przez jedną minutę. Po zakończeniu przenieś próbkę pokrytą wire

determination-excitation-coupling-rates-between-light-emitters

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten film pokazuje zlokalizowane obrazowanie powierzchniowego rezonansu plazmonów w celu wykrycia wydzielin białkowych z pojedynczej komórki. Wykorzystując układ mikroprzepływowy i plazmoniczny chip nanostrukturalny związany z peptydami, zmiany natężenia światła odbitego pod kątem rezonansu ujawniają interakcje z wydzielanymi białkami z pojedynczej komórki.

Zlokalizowane obrazowanie powierzchniowego rezonansu plazmonowego w celu wykrycia wydzielin białkowych z pojedynczej komórki

Opisujemy metody projektowania, produkcji i eksperymentalnej charakterystyki plazmonicznych emiterów fotoprzewodzących, które oferują o dwa rzędy wielkości wyższe poziomy mocy terahercowej w porównaniu do konwencjonalnych emiterów fotoprzewodzących.

Projektowanie, wytwarzanie i eksperymentalna charakterystyka plazmonicznych fotoprzewodzących emiterów terahercowych

Srebrne nanodruty mogą jednocześnie transportować elektrony i informacje optyczne w postaci plazmonów powierzchniowych. Opisano tutaj procedurę realizacji takiego wspólnego obwodu i oceniane są ograniczenia w propagacji obu nośników informacji.

Ocena transportu plazmonicznego w przewodzących prąd nanodrutach srebra

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Przeprowadzana jest synteza jednolitych nanocząstek złota pokrytych półprzewodnikowymi powłokami CdS lub ZnS. Powłoka półprzewodnikowa jest przeprowadzana przez pierwsze osadzenie powłoki siarczku srebra i wymianę kationów srebra na kationy lub kadmu.

Synteza, charakterystyka i funkcjonalizacja hybrydowych nanocząstek rdzenia/powłoki Au/CdS i Au/ZnS

Krzemowe układy fotoniczne mają potencjał do realizacji złożonych zintegrowanych systemów kwantowych. Przedstawiono metodę przygotowania i testowania krzemowego układu fotonicznego do pomiarów kwantowych.

Pomiar interferencji kwantowej w źródle fotonów rezonatora z pierścieniem krzemowym

Celem tego protokołu jest szczegółowe przedstawienie sprawdzonego podejścia do przygotowania próbek plazmonicznych nanocząstek i przeprowadzenia na nich spektroskopii pojedynczych cząstek za pomocą mikroskopii z kontrastem różnicowym interferencyjnym (DIC).

Wykonywanie spektroskopii nanocząstek plazmonicznych za pomocą transmisyjnej mikroskopii kontrastowej interferencyjnej typu Nomarskiego

Struktura pasma fotonicznego umożliwia zrozumienie, w jaki sposób ograniczone mody elektromagnetyczne rozchodzą się w krysztale fotonicznym. W kryształach fotonicznych, które zawierają elementy magnetyczne, takim ograniczonym i rezonansowym modom optycznym towarzyszy zwiększona i zmodyfikowana aktywność magnetooptyczna. Opisujemy procedurę pomiarową mającą na celu wyodrębnienie magnetooptycznej struktury pasmowej za pomocą mikroskopii przestrzeni Fouriera.

Spektralna i kątowo-optyczna charakterystyka nanostruktur fotonicznych

Obecny protokół opisuje wygodne podejście do integracji optycznego pułapkowania i powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS) do manipulowania plazmonicznymi nanocząstkami w celu czułego wykrywania molekularnego. Bez środków agregujących, laser pułapkujący gromadzi plazmoniczne nanocząstki w celu wzmocnienia sygnałów SERS docelowych analitów do pomiarów spektroskopowych in situ.

Optyczne pułapkowanie nanocząstek plazmonicznych do charakterystyki spektroskopii Ramana wzmocnionej powierzchniowo in situ

Ten artykuł opisuje, jak można zastosować mikroskopię dwufotonową wrażliwą na polaryzację, aby scharakteryzować lokalną organizację w obrębie bezznacznikowych nadbudówek amyloidowych-sferulitów. Opisano w nim również, jak przygotować i zmierzyć próbkę, skompletować wymaganą konfigurację i przeanalizować dane w celu uzyskania informacji o lokalnej organizacji włókienek amyloidowych.

Czuła na polaryzację mikroskopia dwufotonowa do bezznacznikowej charakterystyki strukturalnej amyloidu

Poznaj metodę pomiaru współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych w metalowych układach okresowych przy użyciu spektroskopii o rozdzielczości kątowej i polaryzacyjnej.

Wyznaczanie współczynników wzbudzenia i sprzężenia między emiterami światła a polarytonami plazmonów powierzchniowych

Przeglądaj więcej filmów