Summary
Dit protocol beschrijft de instrumentatie voor de bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en Bloch-achtige oppervlakte plasmon polaritons die voortvloeien uit periodieke matrices.
Abstract
We hebben een unieke methode voor het meten van de excitatie en het koppelen van tarieven tussen de lichte vervuilers en oppervlakte plasmon polaritons (SPPs) die voortvloeien uit metalen periodieke matrices zonder tussenkomst van time-resolved technieken ontwikkeld. Door de hoeveelheden die kunnen worden gemeten door eenvoudige optische metingen hebben wij de tarieven geformuleerd. De instrumentatie op basis van hoek - en polarisatie-resolved reflectiviteit en fotoluminescentie spectroscopie worden hier in detail beschreven. Onze benadering is intrigerend vanwege zijn eenvoud, die houdt van routine optica en mechanische etappes, en dus is zeer betaalbaar voor de meeste van de onderzoekslaboratoria.
Introduction
Oppervlakte plasmon gemedieerde fluorescentie (SPMF) heeft aanzienlijke aandacht gekregen onlangs1,2,3,4,5,6. Wanneer licht vervuilers worden geplaatst in de nabijheid van een Enterprise systeem, kan energie worden overgedragen tussen de vervuilers en oppervlakte plasmon polaritons (SPPs). In het algemeen kunnen de sterke Enterprise velden sterk verbeteren de excitatie van de vervuilers2. Op hetzelfde moment, is het percentage van de uitstoot ook verhoogd vanwege de grote dichtheid-van-toestanden aangemaakt door SPPs, opbrengst van de bekende Purcell effect3. Deze twee processen werken hand in hand bij het opstellen van de SPMF. Als SPMF heeft talrijke toepassingen in Solid state lighting1,4, energie oogsten van5en6van het bio-detectie, stimuleerde is het momenteel onder intensief onderzoek. Met name de kennis van de overdrachtsnelheden van de energie van de SPPs naar de vervuilers en vice versa, dat wil zeggen, de excitatie en het koppelen van tarieven, is van groot belang. Echter, de excitatie en emissie processen zijn meestal elkaar verstrikt, studie op dit aspect ontbreekt nog. Bijvoorbeeld, bepalen de meeste studies alleen de efficiencyratio excitatie, die gewoon de uitstoot met en zonder SPPs7 vergelijkt. De nauwkeurige meting van de excitatie-tarief ontbreekt nog. Aan de andere kant, resolved conventionele time-technieken zoals levensduur Fluorescentiespectroscopie worden routinematig gebruikt voor het bestuderen van de dynamiek van de emissie-proces, maar ze zijn niet in staat om te scheiden van het tarief van de koppeling van het totale verval tarief8. Hier beschrijven we hoe men hen kan bepalen door het model van de vergelijking tarief en de temporele gekoppelde modus theorie9,10te combineren. Opvallend, vinden wij dat de excitatie en het koppelen van de tarieven kunnen worden uitgedrukt in termen van meetbare grootheden, welke toegankelijk zijn door het uitvoeren van hoek - en polarisatie-resolved reflectiviteit en fotoluminescentie spectroscopie. Wij zullen eerst een overzicht van de formulering en vervolgens de instrumentatie in detail te beschrijven. Deze benadering is volledig frequentiedomein gebaseerd en op doet niet vergen geen time-resolved accessoires zoals ultra-snelle lasers en tijd-gecorreleerde single-photon tellers, die zijn duur en soms moeilijk uit te voeren van8, 11. Wij verwachten dat deze techniek om een inschakelen technologie voor de bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en resonant Holten.
De SPMF in periodieke systemen is hier ingelicht. Voor een periodiek Enterprise systeem waar Bloch-achtige SPPs kunnen worden gegenereerd, dan directe excitatie en emissie, die worden gekenmerkt door de excitatie-efficiëntie η en spontane emissie tarief Γr, de stralers kunnen worden opgewonden door inkomende SPPs en verval via de uitgaande SPPs. Met andere woorden, onder resonantie excitatie, worden inkomende SPPs gegenereerd om te maken van sterke Enterprise velden die energieke de stralers. Zodra de stralers enthousiast zijn, kan energie van hen worden overgedragen aan uitgaande SPPs, die vervolgens stralings naar ver-veld verdrijven, die aanleiding geven tot verbeterde emissie. Zij bepalen de SPMF. Voor eenvoudige twee-niveau vervuilers verwijst de excitatie naar de verhoogde overgang van elektronen uit de grond naar de opgewonden Staten overwegende dat de uitstoot het verval van elektronen terug naar de Staten van de grond definieert, begeleid door photon emission bij golflengten gedefinieerd door het energieverschil tussen de opgewonden en gemalen. De excitatie en emissie voorwaarden voor de SPMF zijn vereist om te voldoen aan de bekende fase bijpassende vergelijking te prikkelen de inkomende en uitgaande SPPs9
(1)
waar εeen en εm zijn de constanten van de diëlektrische verwarming van de diëlektrica en de metaal, θ en φ zijn de hoeken van het incident en azimutale P is de periode van de matrix, λ de golflengte excitatie of emissie is en m en n zijn de gehele getallen opgeven van de volgorde van SPPs. Voor excitatie, zullen de in-plane-wavevector van de laserstraal Bragg verspreid naar impuls wedstrijd met de inkomende SPPs en de θ en φ samen bepalen de opgegeven incident configuratie voor het spannende van het SPPs ter verbetering van de elektronische absorptie bij de excitatie golflengte λex. Ook voor de emissie zullen de uitgaande SPPs omgekeerd Bragg verspreid om te matchen met de lichtlijn en de hoeken vertegenwoordigen nu de mogelijke emissie-kanalen op de emissie golflengte λem. Echter is opgemerkt dat als de stralers hun energie aan vectoriële teeltmateriaal SPPs met koppelen kunnen 
die dezelfde grootte heeft 
maar verschillende richtingen, de SPPs kunnen verval via verschillende combinatie van (m, n) te ver-veld volgende Eq. (1).
Met behulp van het tarief vergelijking model en temporele gekoppelde modus theorie (CMT), we vinden dat de excitatie tarief Γex, dat wil zeggen, de energie transfer rate van SPPs aan vervuilers, kan worden uitgedrukt als9,12,13
(2)
waar η het tarief van de eerder genoemde rechtstreekse excitatie in de afwezigheid van de inkomende SPPs, Γtot is het percentage van de totale verval van de inkomende SPPs 
waarin Γabs en Γrad de Ohmse absorptie en de radiatieve verval tarieven van SPPs zijn, en 
is de fotoluminescentie vermogen verhouding met en zonder de inkomende SPPs. Aan de andere kant, kan de koppeling tarief Γc, dat wil zeggen, de energie transfer rate van vervuilers te SPPs, geschreven worden als:
(3)
waar Γr het percentage van de directe uitstoot is, 
is de fotoluminescentie machtsverhouding tussen de αth SPP gemedieerde verval en directe poorten en Γradα en Γtot de radiatieve verval-tarieven voor de αth poort en de totale verval tarieven. We zullen zien dat terwijl alle de SPP verval kan worden gemeten door de reflectiviteit spectroscopie, de uitstoot vermogen verhouding kan worden bepaald door fotoluminescentie spectroscopie. Details van de formuleringen kunnen worden gevonden in verwijzing9,10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. installatie van interferentie lithografie
Opmerking: Interferentie lithografie wordt gebruikt voor het fabriceren van de periodieke matrices12. De schematische setup, is zoals is weergegeven in Figuur 1, opgebouwd als volgt:
- Richten de 325 nm laser van een multimode laser HeCd op een 13 X UV objectief en pas het via een gaatje 50 μm gebaseerd ruimtelijke filter voor modus schoonmaken.
- Plaats twee 2,5 cm diameter irissen 30 cm uit elkaar om verder filteren door bijvoorbeeld de centrale regio van de uiteenlopende licht. Na de tweede iris, de diameter van de lichtbundel gelijk aan 2,5 cm en zeer langzaam toeneemt met de afstand, die < 3 cm op 1 m afstand van het tweede iris is. Het licht wordt uitgegaan worden bijna collimated.
Opmerking: De uitvoer van tweede iris eenvormig moet zijn wanneer gecontroleerd door blote ogen. - Sturen de collimated lichtbundel naar een Lloyd's mirror interferometer. De Lloyd's-instelling bevat een prisma gebaseerde monsterhouder en een 5.04 cm spiegel geplaatst loodrecht op het. De directe en gereflecteerde illuminations creëren samen een stabiele staande golf langs het oppervlak van de steekproef voor patronen. Het prisma fungeert als een antireflection apparaat.
Opmerking: De periode P van de staande golf kan worden geschreven als:
, waar λ = 325 nm en α is de incident hoek ten opzichte van normaal monster, zoals is weergegeven in Figuur 1. Het incident hoek kan worden afgestemd door het draaien van de Lloyd's-instelling.
, waar λ = 325 nm en α is de incident hoek ten opzichte van normaal monster, zoals is weergegeven in Figuur 1. Het incident hoek kan worden afgestemd door het draaien van de Lloyd's-instelling.2. periodieke Array voorbereiding
Opmerking: Het monster is bereid volgens de standaard procedure voorgesteld door de fabrikant. Alle procedures worden uitgevoerd bij kamertemperatuur.
- Gebruik een 1 cm2 glas substraat. Het glas met methanol en aceton gedurende 10 minuten in het ultrasoonbad reinigen en dan vooraf te bakken op een hete plaat bij 200 ° C gedurende 1 h om vuil te verwijderen.
- Spin-jas het glas-substraat met een 5 nm dikke hechting laag en een 100 nm dikke negatieve SU-8 fotoresist met een spin-coater van twee snelheden.
- De SU-8 fotoresist met Gamma-butyrolacton in een verhouding van 1:5 (v/v) te verdunnen zodat de dikte controleerbaar dicht bij 100 nm na spin-coating.
- 3-5 druppels (0,2 mL) van de oplossing van de hechting op het glas-substraat en spin op 600 rpm voor 10 s en 3600 rpm voor 1 min, opeenvolgend afzien.
- Herhaal stap 2.2.2 met 5-7 (0.3 mL) druppels van verdunde SU-8 vanaf stap 2.2.1 met dezelfde snelheid.
Opmerking: De hechting laag verbetert de hechting tussen het glas-substraat en de fotoresist zodat de fotoresist zou niet schil af tijdens het ontwikkelen. De dikte van de laag van de SU-8 wordt bepaald door de concentratie en de snelheid van de spin-coater.
- Prebake van het monster op 65 ° C en 95 ° C-pits kookplaat voor elke 1 min. Ovens worden hier niet aanbevolen.
- Het monster aan de prisma in de interferometer overdragen. Voeg een druppel brekingsindex bijpassende olie (n = 1,45) te koppelen van het monster op het prisma. Plaats deze zo dicht mogelijk bij de spiegel mogelijk.
Opmerking: Het monster is aangesloten op prism oppervlak als gevolg van de oppervlaktespanning van de olie. De brekingsindex van olie is gekozen om hetzelfde als prism en glas substraat te elimineren terug reflectie van de storing. - Voor een tweedimensionaal vierkante lattice, bloot het monster twee keer met dezelfde blootstellingstijd maar een loodrechte richtingen; dat wil zeggen het monster bloot en vervolgens worden gedraaid met 90° voor de tweede blootstelling. Wanneer de fotoresist is blootgesteld aan een 325 nm licht, het crosslinks en kan niet worden opgelost door de SU-8-ontwikkelaar.
Opmerking: De diameter D van de matrix kan worden gecontroleerd door de belichtingstijd aanpassen. - Hard bak het monster bij 65 ° C en 95 ° C gedurende 2 minuten om te voorkomen dat kraken film.
- Dompel het gehele monster in ontwikkelaar voor 2 min met voortdurende agitatie te ontbinden van het blootgestelde gebied.
- Dompel het monster in isopropyl alcohol voor 1 min te spoelen de storingswaarden en vervolgens droog het met perslucht. Een nanohole matrix wordt vervolgens geproduceerd.
3. de Gouden Film afzetting en lichte Emitter Coating
- Bevestig het monster aan de houder van de steekproef van de radiofrequentie magnetron kathodische depositie systeem met dubbelzijdige tape voor Au film afzetting.
- Pomp beneden de kamer tot een 2 x 10-6 Torr basis druk gebruik van een turbomoleculaire pomp en vervolgens terug vullen met 6 x 10-3 Torr ultra hoge zuiverheid Ar gas.
- Gebruik van een streefcijfer voor de 99,9% Au van 5 cm diameter en plaats een sluitertijd tussen het monster en de doelstelling. Gebruik laag vermogen (50 W) om het tarief van de depositie evenals de oppervlakteruwheid. Met de sluiter is gesloten, sputter vooraf het streefcijfer voor 10 min om vuil te verwijderen.
- Open de sluiter te verwerken afzetting bij kamertemperatuur gedurende 20 minuten. Een laagdikte van 100 nm routinematig wordt gestort om ervoor te zorgen dat de Enterprise systeem optisch dik met geen transmissie is.
- Zodra het monster klaar is, draai-jas het oplichtende materiaal zoals organische kleurstoffen of quantum dots op het metaaloppervlak te vormen van een dunne laag van diëlektrica.
- Los voor de styryl 8 kleurstof gebruikt in de verwijzing9, 20 µg styryl 8 en 500 µg polymeer van polyvinylalcohol (PVA) in 5 mL methanol.
- Afzien van 3-5 druppels (0,2 mL) van de oplossing van de kleurstof op het monster en draaien op 600 rpm voor 10 s en 3600 rpm voor 1 min achter elkaar. De dikte wordt geschat op 80 nm.
Opmerking: Water oplosbare of onoplosbare polymeer kan worden gebruikt als verankerende materiaal afhankelijk van het soort emitterende materiaal. Het polymeer moet echter niet-emissieve zodat het niet met de fotoluminescentie metingen interfereren zou. Polymeer van polyvinylalcohol (PVA) wordt aanbevolen voor het oplossen van in water oplosbare kleurstoffen zoals rhodamine 6 G en styryl 8.
4. reflectiviteit metingen voor het bepalen van de SPP verval tarieven
Opmerking: De polarisatie - en hoek-resolved reflectiviteit spectroscopie setup is afgebeeld in Figuur 2. Het bestaat uit een goniometer met drie fasen van de rotatie voor het onafhankelijk van elkaar wijzigen van de afdrukstand van de steekproef (fase 1) en detectie hoek (fase 2), alsmede de monster azimutale hoek (fase 3).
- Een breedband wit licht uit een quartz-lamp als de lichtbron te gebruiken. Koppel het eerst aan een bundel multimode-glasvezel en dan collimate het door een paar collineaire face-to-face objectieven (5 X en 60 X). De lichtbundel op het monster bij verschillende incident hoeken verlichten door het monster afdrukstand wijzigt. Plaats een paar incident polarisator en detectie analyzer voor en na het monster voor polarisatie-afhankelijke metingen.
Opmerking: De doelstellingen van aangezicht tot aangezicht fungeren als een lenssysteem dat collimates en breidt de witte lichtbron van de multimode-glasvezel. - Het gebruik van een multimode-glasvezel voor het verzamelen van de spiegelende reflectie van het monster, die is aangesloten op een spectrometer en een CCD-detector voor spectroscopie.
- Uitlijnen van de installatie zorgvuldig opgeven, zodat de monster oriëntatie stadium zowel de detectie rotatie stadia zijn concentrische, dwz., hun rotatieassen collineair zijn.
- Kalibreer de setup met een platte Au-film. De spectra van de reflectie op verschillende incident hoeken meten en deze te vergelijken met de theoretische reflectie spectra berekend met de Fresnelvergelijkingen met behulp van een bekende Au diëlektrische functie. Deze twee gegevensverzamelingen moeten verenigbaar zijn met minder dan 5% van de fout.
- Zodra de installatie klaar is, het lineair gepolariseerde, p of s, reflectie spectra van het monster bij verschillende incident hoeken meten. De stap-grootte van de invallende hoek is 0,5 ° en de resolutie van de golflengte is 0,66 nm. Het verzamelen van de spectra onder meerdere incident hoeken, is een controle-programma geschreven voor automatisering met inbegrip van de mechanische beweging sluiter controle, data-acquisitie, achtergrond aftrekken, enz.
Opmerking: Deze stap gebeurt rekenkundig. Het programma is beschikbaar op aanvraag. Stuur een e-mail naar de overeenkomstige auteur voor de broncode indien nodig. - Contour plot de reflectiviteit vs. golflengte en incident hoek te verkrijgen van de relatie van de spreiding van de Enterprise systeem voor modus bepalen van identificatie en verval.
Opmerking: De monster azimutale hoek is te vinden van de positie in de Brillouinzone. Bijvoorbeeld voor vierkante lattice monster, draai het monster azimutale zo dat zijn perioden parallel met het incident vliegtuig is en dit de richting van de Γ-X bepaalt. Het monster van 45° te definiëren van de Γ-M richting draaien. - Indien het incident gepolariseerd is ingesteld op 45° met betrekking tot het incident vliegtuig en de analyzer bij-45 is °, meet de orthogonale, of cross-gepolariseerd, reflectiviteit toewijzing.
- Pak de p-gepolariseerd en orthogonale reflectie spectra en ze passen met behulp van CMT9,12,13, zoals beschreven in de discussie om te bepalen van de tarieven van het verval van SPPs.
5. fotoluminescentie metingen voor de bepaling van de emissie vermogen verhouding
Opmerking: De hoek - en polarisatie-resolved fotoluminescentie setup is afgebeeld in Figuur 3.
- De breedband lichtbron vervangen door 514 nm argon ion of 633 nm HeNe laser. Gebruik van een laser lijn filter met een volle breedte halve maximum (FWHM) minder dan 5 nm tot de laser spectraal schoon en plaats een half-golf plaat om te controleren de staat van de polarisatie van de laserstraal. De goniometer en de detectie-eenheid blijven onveranderd. Een inkeping filter plaatsen voordat de detectie-eenheid te verwijderen van de laser-lijn, die de luminescentie begraaft.
Opmerking: De golflengte van de laser is afhankelijk van het type van emitterende materialen. Hoger foton-energie is nodig om te prikkelen het materiaal met kortere golflengte van de emissie. - Voor het meten van de emissie vermogen verhouding voor Eq. (2) & (3), twee soorten metingen te verrichten: de detectie en incident scans. Het samenspel tussen het incident en detectie scans helpen bij het bepalen van
, 
, 
, en 
. - Voor het incident scan, de incident hoek continu variëren, maar de detectie hoek ten opzichte van de normale steekproef vast.
Opmerking: Deze stap gebeurt rekenkundig. Deze configuratie prikkelt selectief de inkomende SPPs, die incident hoek afhankelijk, terwijl het toezicht op de variatie van de uitstoot onder de gekozen detectie hoek. Met andere woorden, verhoogt de emissie wanneer het incident hoek vervult de bijpassende vergelijking in Eq. (1) fase.- Contour plot de spectra fotoluminescentie tegen golflengte en de incident hoek voor de toewijzing van incident scan. Meten van de toewijzingen voor de detectie van de verschillende hoeken, maar de relatieve intensiteiten vindt u hetzelfde. Dus, het incident scan sondes het effect van de inkomende SPPs op de emissie of gewoon de verbetering van excitatie, waardoor we kunnen meten en .
- Contour plot de spectra fotoluminescentie tegen golflengte en de incident hoek voor de toewijzing van incident scan. Meten van de toewijzingen voor de detectie van de verschillende hoeken, maar de relatieve intensiteiten vindt u hetzelfde. Dus, het incident scan sondes het effect van de inkomende SPPs op de emissie of gewoon de verbetering van excitatie, waardoor we kunnen meten
- Voor de detectie-scan, de incident hoek ten opzichte van de normale steekproef vast te stellen maar variëren de detectie hoek.
Opmerking: Deze stap gebeurt rekenkundig.- Contour plot ook de fotoluminescentie spectra met een golflengte en detectie hoek opbrengst de detectie scan toewijzen. Zoals de SPP-emissie vloeit uit de demping van de straling van SPPs voort, is de uitstoot sterk detectie hoek afhankelijk. Daarom, verhoogt de uitstoot onder constante excitatie, wanneer de detectie hoek Eq. (1 vervult). Deze configuratie sondes van de verhoging van de emissie en laat ons toe om het bepalen voor verschillende αth bestellen, zolang het heeft welomschreven detectie hoek afhankelijkheid.
- Contour plot ook de fotoluminescentie spectra met een golflengte en detectie hoek opbrengst de detectie scan toewijzen. Zoals de SPP-emissie vloeit uit de demping van de straling van SPPs voort, is de uitstoot sterk detectie hoek afhankelijk. Daarom, verhoogt de uitstoot onder constante excitatie, wanneer de detectie hoek Eq. (1 vervult). Deze configuratie sondes van de verhoging van de emissie en laat ons toe om het bepalen
, 
, 
, en 
.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een voorbeeld van een periodieke Au-matrix wordt gegeven in de inzet van figuur 4a8. Het vliegtuig view SEM-beeld toont aan dat het monster een 2D vierkant rooster circulaire gat matrix met een periode van 510 nm, een gat diepte van 280 nm, en een gat diameter van 140 nm. De toewijzing van de p-gepolariseerde reflectiviteit genomen langs de Γ-X-richting wordt weergegeven in figuur 4a. De dash-lijn wordt berekend door de vergelijking Eq. (1) waarin wordt aangegeven dat overeenkomende fase (m = -1, n = 0) SPPs zijn enthousiast.
Wanneer de polarisator en analyzer zijn ingesteld op orthogonale posities, wordt de bijbehorende toewijzing van de reflectiecoëfficiënt weergegeven in figuur 4b. We zien dat de toewijzing vrijwel identiek is aan de lineair gepolariseerde mapping behalve de achtergrond nu nul wordt als de niet-resonante reflectie wordt verwijderd door de analyzer. Bovendien, zijn de reflectiviteit profielen gewijzigd van dips in pieken als alleen de SPP straling demping blijft na het verwijderen van de achtergrond.
In feite, is de dispersie relatie een goed hulpmiddel voor het bestuderen van SPMF. Ervan uitgaande dat de laser excitatie golflengte is 700 nm, inkomende SPPs wordt gegenereerd op een 19° incident hoek en ze zullen omgaan met de vervuilers als hun absorptie band overeenkomt met. Aan de andere kant, SPP emissie in een incident hoek van 23° zal worden gedetecteerd als de uitstoot op 730 optreedt nm. Dus, de SPP resonanties laten prikkelen van de inkomende SPPs voor excitatie verhoging en zoek de uitgaande SPPs voor verhoging van de emissie.
We draaien de jas CdSeTe quantum dots gedoopt PVA polymeer op de matrix-10. Figuur 5a & 5b weergeven de toewijzing van de p-gepolariseerd en orthogonale reflectiviteit genomen langs de langs de Γ-X-richting, tonen de (-1,0). Figuur 5 c & 5 d toont dat de bijbehorende fotoluminescentie incident en detectie scan toewijzingen genomen bij de detectie en incident hoeken van 0 ° en 0 °, respectievelijk. De laser golflengte λex is 633 nm. In feite, in overeenstemming met de toewijzing van de reflectiecoëfficiënt, we zien dat sterke emissie treedt op bij een incident hoek van 18.5° waar de inkomende (-1,0) SPPs zijn enthousiast. Aan de andere kant van de detectie-scan controleert de sterke gelijkenis tussen de reflectiviteit en de fotoluminescentie dat de emissies worden verbeterd wanneer de uitgaande SPPs zijn enthousiast.
De vaststelling van de excitatie en het koppelen van de tarieven vereist de SPP verval tarieven en fotoluminescentie macht ratio's10. Om te bepalen van de tarieven van het verval van 633 nm langs de Γ-X-richting de spectra van de p-gepolariseerd en orthogonale reflectiviteit geëxtraheerd uit figuur 5a & 5b staan in Figuur 6a. Het spectrum van p-gepolariseerde toont een Fano-achtige-profiel dat omschreven als worden kan 
, waarp is de nonresonant reflectiviteit en ωSPP is de resonant foton-energie, terwijl de orthogonale tegenhanger volgt 
, exposerende een Lorentz lineshape12. Ze zijn dan best uitgerust en de totale en radiatieve verval-tarieven, Γtot en Γrad, zijn 95.08 en 27.15 meV (met h).
Aan de andere kant, wordt de machtsverhouding fotoluminescentie als volgt verkregen. Van het incident scan in Figuur 5 c, het profiel van de emissie bij de emissie golflengte λem = 690 nm, waar de directe uitstoot zoekt, wordt geëxtraheerd in Figuur 6b. De vermogen verhouding 
, die is gedefinieerd als de directe uitstoot met en zonder de inkomende SPPs, is gewoon de intensiteit bij 18,5 ° gedeeld door de vlakke achtergrond (6.896). 
is vervolgens bepaald dat 574.04 meV.
Aan de andere kant, is de koppeling tarief emissie golflengte afhankelijk. De golflengte van de uitstoot op 690 nm is gekozen als voorbeeld. De totale en radiatieve verval-tarieven, Γtot en Γrad, zijn 60.06 en 17.12 meV (met h), respectievelijk. De detectie scanprofiel is geëxtraheerd uit Figuur 5 d en weergegeven in Figuur 6 c. De vermogen verhouding 
is gedefinieerd als de (-1,0) SPP emissie gedeeld door de halfruimte directe uitstoot, ervan uitgaande dat het monster heeft geen transmissie. Aangezien de detector betrekking heeft op een ruimtehoek ΔΩ ~ π3/7202 sr, voor een Lambertian oppervlak, 
, waar b de achtergrond in Figuur 6 c als volgt 
. Aan de andere kant, de 
wordt gegeven als het profiel van de piek gedeeld door ΔΩ. Dientengevolge, 
blijkt te zijn van 0.805.
Figuur 1 . Schematische van interferentie lithografie. Een 325 nm laserlicht gericht door een ruimtelijke filter en vervolgens op een Lloyd's mirror interferometer waar het monster zich bevindt is verlicht. De staande golf vormen langs het oppervlak van de steekproef voor blootstelling. Inzet: schema van de weergave van het boven- en zijkant van het monster voltooid in sectie 2. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 . Polarisatie - en hoek-resolved reflectiviteit spectroscopie. (een) schema van polarisatie - en hoek-resolved reflectiviteit spectroscopie. Drie fasen van de rotatie worden gebruikt voor de bouw van de goniometer. Een multimode-glasvezel combinatie spectrometer en CCD detector wordt gebruikt voor de detectie. Een breedband witte lichtbron wordt gebruikt voor metingen van de reflectiecoëfficiënt. (b) levensechte afbeelding van het grootste deel (zwarte dash doos in (een)) van de reflectiecoëfficiënt polarisatie - en hoek-resolved spectroscopie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 . Schema van polarisatie - en hoek-resolved fotoluminescentie spectroscopie. Een 514 of 633 nm laser wordt gebruikt voor fotoluminescentie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 . Reflectiviteit toewijzingen en blijkt verval tarieven. (een) de toewijzing van de p-gepolariseerde reflectiviteit van een Au matrix genomen langs de Γ-X-richting. De dash-lijn wordt berekend met behulp van de vergelijking, tonen bijpassende fase (-1,0) SPPs zijn enthousiast op verschillende golflengten. Inzet: het vliegtuig-weergave SEM-beeld van de matrix. (b) de bijbehorende orthogonale reflectiviteit toewijzing waaruit blijkt dat de achtergrond is nul en de reflectiviteit dips nu worden pieken. (c) de plot van Γtot en Γrad als functie van de golflengte. De resultaten worden weergegeven van referentie9. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5 . De reflectiviteit, incident management- en detectie scan toewijzingen van een matrix bekleed met CdSeTe quantumdots genomen langs de Γ-X-richting. Het (een) p-gepolariseerd en (b) orthogonale reflectiviteit toewijzingen en de bijbehorende fotoluminescentie (c) incident en (d) opsporing scannen toewijzingen genomen bij detectie en incident hoek = 0 ° en 0 °, respectievelijk. De laser golflengte λex is 633 nm. De resultaten worden weergegeven van referentie10. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 . Representatieve reflectiviteit, incident management- en detectie scanprofiel. (een) het p-gepolariseerd en orthogonale reflectiviteit spectra samen met de beste past voor het bepalen van de Γtot en Γrad op 633 nm. (b) de uitgepakte (b) incident en (c) detectie scan profielen. De resultaten worden weergegeven van referentie10. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In dit protocol zijn er verschillende kritische stappen. Eerste, mechanische stabiliteit is van cruciaal belang in de bereiding van de monsters. De staande golf gegenereerd door Lloyd's setup is gevoelig voor het verschil van de fase tussen twee verlichting balken. Daarom zal de trillingen tijdens de belichtingstijd degraderen de uniformiteit en de rand scherpte van de nanohole. Het is sterk aanbevolen om te opereren in een trillingsvrije omgeving, bijvoorbeeld, een optische tafel met vibratie isolatie ondersteunt. Hoog vermogen laser is daarnaast ook gewenst om te minimaliseren van trillingen zoals het vermindert belichtingstijd dienovereenkomstig. Ten tweede, het gaatje in stap 1.1 moet goed worden gekozen. De grootte van het gat moet klein genoeg zijn om uit te voeren modus schoonmaken aan de ene kant en nog groot genoeg om voldoende vermogen voor blootstelling aan de andere kant. Het is raadzaam een gaatje 50 μm en 13 X doelstelling voor de HeCd multimode laser. Ten derde, wordt opgemerkt dat de Lorentz-lijn vorm van orthogonale reflectiviteit geldt alleen wanneer zijnp≈ rs, waarp en rs zijn niet-resonante reflectiviteit voor p - en s-gepolariseerd verlichting12. Echter, voor een nanohole matrix met glancing incident hoek of sommige anisotrope metamaterials, het verschil tussen rp en rs kan niet worden verwaarloosd en de resulterende reflectiviteit levert 
, geven aanleiding tot Fano lineshape.
Kortom beschrijft dit protocol een methode om te bepalen van de excitatie en het koppelen van tarieven tussen de lichte vervuilers en SPPs van 2D metalen periodieke matrices. De snelheid wordt gemeten door de hoek - en polarisatie-resolved reflectiviteit en fotoluminescentie spectroscopie, die allebei frequentie domein technieken. Vergeleken met conventionele technieken voor time-resolved, deze methode niet alleen onderscheidt de excitatie en verval processen van SPMF, die worden niet beschouwd als in de meeste fluorescentiestudies verbetering, maar bepaalt ook de tarieven van de koppeling van lichte vervuilers te verschillende SPP-modi. Time-resolved technieken alleen meten van de totale levensduur van een lichte emitter zijn en niet identificeren van de bijdragen van verschillende resonant modi, onze methode zou zeker een toegevoegde waarde aan dit veld vooral wanneer licht vervuilers worden geplaatst in een complex resonantie systeem. Voor een periodieke Enterprise system, 
modus heeft een welomschreven verval richting terwijl directe uitstoot isotrope wordt uitgegaan. Hun verschillen in emissie richting leiden tot de identificatie van de modus. Zoals directionele emissie een universele gedrag in nanomaterialen is, kan dergelijke differentiatie gemakkelijk worden uitgebreid tot andere resonant systemen zoals metamaterials en fotonische kristallen. We anticiperen op deze techniek om een inschakelen technologie voor het bestuderen van de verhoging van fluorescentie tussen licht vervuilers en resonant Holten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd gesteund door de Chinese Universiteit van Hongkong door de directe subsidies 4053077 en 4441179, regering van Cambodja concurrerende gereserveerd onderzoekssubsidies, 402812 en 14304314, en het gebied van excellentie 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).
