Методическая статья

Определение возбуждения и сцепления между излучателей света и поверхностного плазмон поляритонов

DOI:

10.3791/56735

⸱

21 июля 2018 г.

 ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Этот протокол описывает приборов для определения возбуждения и сцепления между излучателей света и блох как поверхностного плазмон поляритонов, вытекающих из периодических массивы.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы разработали уникальный метод для измерения возбуждения и муфты ставки между излучателей света и поверхностного плазмон поляритонов (ППУ) вытекающие из металлических периодических массивы без привлечения время решена методов. Мы разработали ставки в количествах, которые могут быть измерены простым оптических измерений. Приборостроение, основанные на угол и поляризации решены отражательной способности и фотолюминесценции спектроскопия будут описаны подробно здесь. Наш подход интригует из-за своей простоты, которая требует обычной оптике и несколько механических этапов и таким образом является весьма доступным для большинства научно-исследовательских лабораторий.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Поверхностного плазмон опосредованной флуоресцирования (SPMF) получила значительное внимание недавно1,2,3,4,5,6. Когда излучателей света находятся в непосредственной близости от плазмонных системы, энергия может передаваться между эмитентами и поверхностного плазмон поляритонов (SPP). В целом сильные плазмонных поля может сильно повысить возбуждения излучателей2. В то же время уровень выбросов также увеличивается из-за большой плотность из государств созданные ППУ, уступая известных Purcell эффект3. Эти два процесса работать рука в руку в производстве SPMF. Как SPMF стимулировало многочисленные приложения в Твердотельные освещения1,4,5и6Био Детектирование энергии это в настоящее время ведется интенсивное расследование. В частности знания скорость передачи энергии от ППУ излучателей и наоборот, то есть, возбуждение и муфты цены, имеет большое значение. Однако процессы возбуждения и выбросов обычно запутались вместе, исследования на этот аспект по-прежнему отсутствует. Например большинство исследований только определить коэффициент эффективности возбуждения, который просто сравнивает выбросов с и без ППУ7. Точное измерение скорости возбуждения до сих пор отсутствует. С другой стороны обычные время решены такие методы, как отдела Флуоресценция жизни обычно используются для изучения динамики процесса выбросов, но они не могут отделить уровень сцепления от общего распада курс8. Здесь мы опишем, как можно определить их путем объединения модель уравнение ставки и временной режим спаренных теория9,10. Замечательно мы находим, что возбуждение и муфты ставки могут быть выражены через измеримые количества, которые можно получить, выполнив фотолюминесценция спектроскопии и отражательной способности урегулировать угол и поляризации. Мы будем сначала изложить формулировки и затем описать инструментирования в деталях. Такой подход является полностью на основе частотной области и не требует каких-либо время решена аксессуары, такие как коррелированных по времени Однофотонная счетчики, которые являются дорогостоящими и иногда трудно осуществить8, и ультра-быстрой лазеры 11. Мы ожидаем этот техника быть благоприятной технологии для определения возбуждения и сцепления между излучателей света и резонансной полости.

SPMF в периодических систем проинформировал здесь. Для периодического плазмонных системы, где могут создаваться блох как ППУ, помимо прямого возбуждения и выбросов, которые характеризуются возбуждения эффективности η и спонтанного курс Γr, излучатели может быть взволнован входящие ППУ и упадок через исходящие ППУ. Другими словами под резонанс возбуждения, входящие ППУ создаются для создания сильных плазмонных полей, которые активизировать излучателей. После того, как рады, излучатели, энергии из них могут быть переданы исходящих ППУ, которые впоследствии радиационно рассеиваться в дальнем поле, что привело к активизации выбросов. Они определяют SPMF. Для простых двух уровневого излучателей возбуждения относится к увеличение переход электронов из земли возбужденных государствам тогда как выбросов определяет распада электронов обратно к земле государства, сопровождающийся испусканием фотонов на длинах волн определенных в разница в энергии между государствами возбужденных и грунта. Возбуждения и выбросов условия для SPMF необходимы для выполнения этапа известным соответствия уравнение для возбуждения входящие и исходящие ППУ9

figure-introduction-1(1)

где ε и εm диэлектрической константы металлов и диэлектриков, θ и φ — инцидента и азимутальные углы, P-период массива, λ является длина волны возбуждения или выбросов, и m и n являются целыми числами, указание порядка ППУ. Для возбуждения, в плоскости wavevector лазерного луча будет Брэгг разбросаны импульс матч с входящего ППУ и θ и φ вместе определяют указанный инцидент конфигурации для захватывающих ППУ для расширения электронных поглощения на возбуждения волны λex. Аналогичным образом для выбросов, исходящие SPP будет наоборот Брэгг, разбросанных в соответствии с линией света и углы теперь представляют собой каналы возможных выбросов на выбросов волны λЭм. Однако, следует отметить, что как излучателей можно пару их энергию для векториального размножаемый ППУ с figure-introduction-2 , имеет ту же величину figure-introduction-3 но разных направлениях, ППУ может распадаться через различные комбинации (m, n) для дальнего поля следующее уравнение (1).

Используя уравнение модели курса и временной режим спаренных теория (CMT), находим что возбуждения курс Γex, т.е. скорость передачи энергии от ППУ для излучателей, могут быть выражены как9,12,13

figure-introduction-4(2)

где η — коэффициент выше прямого возбуждения при отсутствии входящих ППУ, Γмалыш это общий распад скорость входящего ППУ figure-introduction-5 в котором Γabs и Γrad являются омического поглощения и радиационные распад темпы ППУ, и figure-introduction-6 является коэффициент мощности фотолюминесценция с и без входящего ППУ. С другой стороны муфта скорость Γc, то есть скорость передачи энергии от излучателей в ППУ, может быть записана как:

figure-introduction-7(3)

где Γr – ставка прямых выбросов, figure-introduction-8 это соотношение мощности фотолюминесценция между αй SPP опосредованной распада и прямые порты, и Γradα и Γмалыш радиационное воздействие распада ставки для портай α и уровень общего распада. Мы увидим, что, хотя все тарифы SPP распада могут быть измерены отражательной спектроскопии, коэффициент мощности выбросов может определяться фотолюминесценция спектроскопии. Подробная информация о формулировки можно найти в справочных9,10.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Установка вмешательства литографии

Примечание: Вмешательство литографии используется для изготовления периодических массивы12. Схема установки, как показано на рисунке 1, строится следующим образом:

  1. Фокус 325 Нм лазер из HeCd многомодовые лазерные 13 X УФ объектива и пройти его через отверстие 50 мкм основе пространственного фильтра для режима очистки.
  2. Место два ирисы 2,5 см диаметр 30 см друг от друга для дальнейшей фильтрации в центральной части дивергенция света. После второго радужки диаметр пучка равен 2,5 см и очень медленно увеличивается с расстоянием, которое < 3 см на расстоянии 1 м от второго Ирис. Предполагается, что свет может быть почти коллимированного.
    Примечание: Вывод из второй Ирис должна быть единообразной, когда проверяются невооруженным глазом.
  3. Стир коллимированном пучке к Ллойд зеркало интерферометра. Lloyd's установки содержит держатель образца на основе призмы и 5.04 см зеркало расположены перпендикулярно его. Прямого и отраженного истолкования вместе создать стабильные стоячей волны вдоль поверхности образца для патронирования. Призму действует как просветляющим устройства.
    Примечание: Период P стоячей волны может быть записана как: figure-protocol-1 , где λ = 325 Нм и α-это инцидент угол относительно нормальный образец, как показано на рисунке 1. Вращая Ллойда установки могут быть настроены инцидента угол.

2. периодические массив подготовка

Примечание: Образец готовится в соответствии со стандартной процедурой, предложенная производителем. Все процедуры выполняются при комнатной температуре.

  1. Используйте 1 см2 стеклянной подложке. Чистое стекло с метанолом и ацетон для 10 мин в ультразвуковой ванне и предварительно испечь на горячей плите на 200 ° C в течение 1 ч для удаления грязи.
  2. Спин пальто стеклянной подложке с 5 Нм толщиной адгезионный слой и 100 Нм толщиной негативные Су-8 фоторезист с двух скорость отжима coater.
    1. Разбавить фоторезиста Су-8 с гамма-бутиролактон в соотношении 1:5 (v/v), так что можно контролировать толщину около 100 Нм после отжима покрытие.
    2. Отказаться от 3-5 капель (0,2 мл) раствора адгезии на стеклянной подложке и отжима 600 об/мин за 10 сек и 3600 об/мин за 1 мин, последовательно.
    3. Повторите шаг 2.2.2 с 5-7 (0,3 мл) капли разреженных Су-8 от шага 2.2.1 с одинаковой скоростью.
      Примечание: Адгезионный слой улучшает адгезию между стеклянной подложке и фоторезиста, так что, фоторезиста не будет шелушиться во время разработки. Толщина слоя Су-8 контролируется концентрация и скорость отжима-нанесения покрытий.
  3. Prebake образец на 65 ° C до 95 ° C плитой за 1 мин. Здесь не рекомендуются печи.
  4. Передать образец призмы в интерферометра. Добавить каплю преломления соответствия нефти (n = 1,45) приложить образец на призму. Поместите его как можно ближе к зеркало как можно скорее.
    Примечание: Образец прилагается на поверхности призмы вследствие поверхностного натяжения нефти. Индекс преломления нефти выбирается быть таким же, как Призма и стеклянные подложки для ликвидации обратно отражение от вмешательства.
  5. Для двумерных квадратную решетку предоставляют пробы дважды с помощью же выдержка но ортогональных направлениях; то есть предоставить образец и затем повернуть его на 90° для второй экспозиции. Когда фоторезиста подвергается 325 Нм свет, он сшивки и не могут быть распущены разработчиком Су-8.
    Примечание: Диаметр D массива можно управлять путем корректировки времени экспозиции.
  6. Крепко испечь образца на 65 ° C до 95 ° C на 2 мин для предотвращения растрескивания фильм.
  7. Погрузите весь образец в разработчика для 2 мин при постоянном помешивании распустить неэкспонированные области.
  8. Погрузите образец в изопропиловый спирт за 1 мин смыть остатки и затем высушить сжатым воздухом. Затем производится в массив nanohole.

3. золото фильм осаждения и излучателя покрытие

  1. Прикрепите образец для держателя образца радио частоты магнетронного распыления осаждения системы с двухсторонней ленты для осаждения пленок Au.
  2. Насос вниз палате 2 x 10-6 Торр базовый давления с помощью турбомолекулярный насос и заполните его с 6 x 10-3 Торр ультра-высокой чистоты газа Ar обратно.
  3. Использовать цель Au 99,9% диаметр 5 см и место затвора между образцом и целевой объект. Использование низкой мощности (50 Вт) уменьшить скорость осаждения и шероховатость поверхности. С затвор закрыт, предварительно распыления целевой для 10 мин для удаления грязи.
  4. Откройте затвор для процесса осаждения при комнатной температуре в течение 20 мин. Пленка толщиной 100 Нм регулярно хранение чтобы оптически толщиной не передачи плазмонных системы.
  5. После того, как образец будет готов, спин пальто светоизлучающих материалов, таких как органические красители или квантовых точек на поверхности металла в форме тонкий слой диэлектриков.
    1. Для стириловых 8 краситель, используемый в ссылка9растворяют 20 мкг стириловых 8 и 500 мкг полимера поливиниловый спирт (PVA) в 5 мл метанола.
    2. Обойтись 3-5 капель (0,2 мл) раствора красителя на образце и последовательно спина на 600 rpm для 10 s и 3600 об/мин за 1 мин. Толщина составляет 80 Нм.
      Примечание: Вода растворимых и нерастворимых полимер может быть использован как закрепления материала в зависимости от типа излучающих материала. Однако полимер должна быть не эмиссионные так, что он не будет мешать фотолюминесценция измерений. Полимерные поливиниловый спирт (PVA) рекомендуется для растворения водорастворимых красителей, например родамин 6 G и стириловых 8.

4. отражательная способность измерения для определения ставок распада SPP

Примечание: Решена поляризации и угол отражения спектроскопии показана на рисунке 2. Он состоит из гониометр с трех этапов ротации для самостоятельно изменять ориентацию образца (этап 1) и угол обнаружения (этап 2), а также образец азимутальный угол (этап 3).

  1. Используйте широкополосный белый свет от лампы кварцевые в качестве источника света. Сначала пара его для многомодового волоконно расслоение и затем collimate парой коллинеарных лицом к лицу объективов (5 X и 60 X). Осветить луч света на образце под разными углами инцидента, изменив ориентацию образца. Место пару инцидента поляризатор и обнаружения анализатор до и после образца для измерения поляризации зависимых.
    Примечание: Лицом к лицу цели действовать как система объектива, collimates и расширяет белого источника света от многомодового волокна.
  2. Используйте многомодовое волокно для сбора зеркального отражения от образца, который подключен к спектрометр и CCD детектор для спектроскопии.
  3. Совместите установки тщательно, чтобы обеспечить, как этап ориентации образца, так и обнаружения вращения этапов концентрические, т.е., лежат на их оси вращения.
  4. Калибровка установки с плоской Au пленкой. Измерение спектров отражения под различными углами инцидента и сравнить их с теоретическом осмыслении спектры, вычисляемая уравнений Френеля с помощью известных Au диэлектрической функции. Двух наборов данных должны согласовываться с менее чем 5% ошибок.
  5. Когда все готово, измерьте линейно поляризованной, p или s, спектры отражения образца под разными углами инцидента. Размер шага инцидента угла 0,5 ° и волны резолюции 0,66 Нм. Собирать спектры под несколькими углами инцидента, управляющая программа написана для автоматизации, включая механическое движение затвора контроля, сбора данных, вычитание фона, и т.д.
    Примечание: Этот шаг делается вычислений. Программа доступна по запросу. Пожалуйста, отправьте письмо автору соответствующий исходный код при необходимости.
  6. Контур участок отражательной против волны и инцидент угол для получения отношения дисперсии плазмонных системы для определения ставок режим идентификации и распада.
    Примечание: Образец азимутальный угол является найти позиции в зоне Бриллюэна. Например для образца квадратную решетку, вращайте образец azimuthally так, что один из его периодов параллельна плоскости инцидента и это определяет направление Γ-X. Поворот на 45° для определения направления Γ-M образца.
  7. Если инцидент поляризованных установлен на 45° относительно плоскости инцидента и анализатор-45 °, измерения ортогональных, или кросс поляризация, отражательной сопоставления.
  8. Извлеките p поляризованных и ортогональных отражения спектры и подходят им с помощью CMT9,12,13, как описано в дискуссии с целью определения ставок распада ППУ.

5. Фотолюминесценция измерения для определения выбросов коэффициент мощности

Примечание: Угол и поляризации решены фотолюминесценция показана на рисунке 3.

  1. Замените широкополосных источник света с 514 Нм иона аргона или 633 нм HeNe лазер. Использовать фильтр линия лазера с полной ширины половины максимальной (FWHM) менее 5 Нм для очистки лазер спектрально и место Полуволновые пластины для контролировать состояние поляризации лазерного луча. Гониометр и детектирования остаются неизменными. Место узкополосный режекторный фильтр до детектирования для удаления линии лазера, который хоронит люминесценции.
    Примечание: Длина волны лазера зависит от типа излучающих материалов. Более высокие энергии фотона требуется возбудить материал с короче длина волны излучения.
  2. Чтобы измерить коэффициент мощности выбросов для уравнение (2) и (3), проведение двух видов измерений: обнаружение и инцидент сканирования. Взаимодействие между инцидентом и обнаружения сканирует помогать в определении figure-protocol-2 , figure-protocol-3 , figure-protocol-4 , и figure-protocol-5 .
  3. Для инцидента сканирования постоянно меняют инцидента угол, но исправить обнаружения угол относительно нормальной выборки.
    Примечание: Этот шаг делается вычислений. Эта конфигурация селективно возбуждает входящие ППУ, которые являются инцидента угол зависимых, контролируя изменения выбросов согласно выбранной обнаружения угол. Другими словами выбросов увеличивается, когда инцидент угол соответствует этапа сопоставления уравнение в уравнение (1).
    1. Контур участок спектры фотолюминесценции против волны и инцидент угол для сопоставления инцидента сканирования. Измерить сопоставления для обнаружения различных углов, но относительной интенсивности находятся то же самое. Таким образом, инцидент сканирования зонды эффект входящие ППУ на выбросы или просто повышение возбуждения, который позволяет нам оценить figure-protocol-6 и figure-protocol-7 .
  4. Для обнаружения сканирования исправить инцидента угол относительно образца нормально, но меняют угол обнаружения.
    Примечание: Этот шаг делается вычислений.
    1. Аналогичным образом контур участок спектры фотолюминесценции с длиной волны и обнаружения угол обнаружения сканирования картирования урожайности. Как SPP выбросов возникает от излучения демпфирования ППУ, выбросов является сильно угол обнаружения зависимых. Таким образом под постоянн возбуждением, выбросов увеличивается, когда угол обнаружения выполняет уравнение (1). Эта конфигурация датчиков повышение выбросов и позволяет нам определить figure-protocol-8 й для различных α, пока он имеет четко обнаружения угол зависимость.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В врезные рисунок 4a8приведен пример массива периодические Au. Плоскости SEM изображение показывает, что образец является массив круглое отверстие 2D квадратную решетку с периодом 510 нм, отверстие глубиной 280 Нм и отверстие диаметром 140 Нм. P поляризованных отражательной сопоставления, принятых в направлении Γ-X показан на рисунке 4a. Прерывистая линия рассчитывается на этапе сопоставления уравнение ура...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом протоколе есть несколько важных шагов. Во-первых, Механическая стабильность имеет решающее значение в пробоподготовки. Стоячей волны, генерируемые Ллойда установки чувствителен к разность фаз между двумя балками освещения. Таким образом любые вибрации во время экспозиции будет деградировать единообразия и края резкости nanohole. Рекомендуется для работы в среде вибраций, например, оптический стол с вибрации изоляции поддерживает. Кроме того высокой мощности лазера также желательно свести к минимуму вибрац...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было поддержано китайского университета Гонконга через прямые гранты 4053077 и 4441179, RGC конкурентных целевые субсидии на проведение исследований, 402812 и 14304314 и площадь от совершенства AoE/P-02/12.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
SU-8MicroChemSU-8 2000.5
Адгезионный растворMicroChemOmnicoat
SU-8 Разбавитель (Гамма-Бутиролактон)MicroChemSU-8 2000 Проявитель
SU-8 ПроявительMicroChemSU-8 Проявитель
Spin CoaterChemat TechnologyKW-4A
HeCd лазерKIMMON KOHA CO., LTdIK3552R-G
ЗатворThorlabsSH05
Объектив для пробоподготовкиNewportU-13X
PinholeNewportPNH-50
IrisNewportM-DI47.50
PrismThorlabsPS611
Вращающаяся ступень для пробоподготовки Newport481-A
осаждениясамодельной
ступени вращения 1НьюпортURM80ACC
Этап вращения 2НьюпортRV120PP
Этап вращения 3NewportSR50PP
Манипулятор обнаруженияСамодельная
кварцевая лампаНьюпорт66884
Оптоволоконный пучокNewport77578
Объектив для измеренияNewportM-5X & Поляризатор M-60X
и АнализаторThorlabsGT15
Многомодовое волокноThorlabsBFL105LS02
СпектрометрNewportMS260i
CCDAndorDV420-OE
514 нм Аргон-ионный лазерSpectra-Physics177-G01
633 нм HeNe лазерNewportR-32413
CdSeTe квантовая точкаThermo Fisher Scientificq21061mp
Полимер поливинилового спирта (ПВА)SIGMA-ALDRICH363073
Программа управленияNational InstrumentsLabVIEW
Система

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи