Summary
Ce protocole décrit l’instrumentation pour la détermination de l’excitation et de tarifs entre émetteurs de lumière et de polaritons de plasmon de surface Bloch-comme découlant des tableaux périodiques de couplage.
Abstract
Nous avons développé une méthode unique pour mesurer l’excitation et le couplage des taux entre les émetteurs de lumière et la surface plasmons polaritons (SPPs) découlant des tableaux périodiques métalliques sans faire appel à des techniques de résolution temporelle. Nous avons formulé les tarifs par quantités qui peuvent être mesurées par simples mesures optiques. L’instrumentation basée sur la polarisation-résolue en angle et réflectivité et spectroscopie de photoluminescence décrira en détail ici. Notre approche est intéressante en raison de sa simplicité, qui exige l’optique systématique et plusieurs phases mécanique et est donc très abordable à la plupart des laboratoires de recherche.
Introduction
Plasmon de surface médiée par fluorescence (SPMF) a reçu beaucoup d’attention récemment1,2,3,4,5,6. Lorsque les émetteurs de lumière sont placées à proximité d’un système plasmonique, énergie peut être transférée entre les émetteurs et les polaritons de surface plasmon (SPPs). En général, les forts champs plasmoniques peuvent augmenter fortement l’excitation des émetteurs2. Dans le même temps, le taux d’émission est également augmenté en raison des densité d’États grands créés par RCR, produisant le célèbre Purcell effet3. Ces deux processus travaillent main dans la main en produisant le SPMF. SPMF a suscité de nombreuses applications dans l’éclairage à semi-conducteurs1,4,5et6de bio-detection, la récolte l’énergie il est présentement sous enquête intensive. En particulier, la connaissance des taux de transfert énergétique de la RCR aux émetteurs et vice versa, par exemple, l’excitation et le taux de couplage est d’une grande importance. Toutefois, les processus d’excitation et d’émission sont généralement enchevêtrés ensemble, étude sur cet aspect fait encore défaut. Par exemple, la plupart des études seulement de déterminer le taux de rendement d’excitation, qui compare tout simplement l’émission avec ou sans RCR7. La mesure exacte du taux d’excitation est toujours porté disparue. En revanche, classiques résolution temporelle techniques telles que la spectroscopie de fluorescence lifetime sont couramment utilisés pour étudier la dynamique du processus d’émission, mais on ne peut séparer le taux de couplage de la désintégration totale tarifaire8. Nous décrivons ici comment on peut les déterminer en combinant le modèle d’équation de taux et le mode de couplage temporel théorie9,10. Fait remarquable, nous trouvons que l’excitation et le taux de couplage peuvent être exprimées en termes de quantités mesurables, qui est accessible en effectuant la polarisation-résolue en angle et réflectivité et spectroscopie de photoluminescence. Nous avons tout d’abord décrira la formulation et puis décrire l’instrumentation en détail. Cette approche est tout à fait fréquentiel et il ne nécessite aucun accessoire résolue dans le temps comme les lasers ultra rapides et le temps-corrélé monophotonique compteurs qui sont coûteux et parfois difficile à mettre en œuvre8, 11. nous prévoyons que cette technique pour être une technologie habilitante pour déterminer l’excitation et le couplage des taux entre émetteurs de lumière et de cavités résonnantes.
Le SPMF en systèmes périodiques est informé ici. Pour un système plasmonique périodique où Bloch-comme un RCR peut être généré, autre que l’excitation directe et l’émission, qui se caractérisent par l’excitation l’efficacité η et le taux d’émission spontanée, Γr, les émetteurs peuvent être excitées par RCR entrant et la carie par RCR sortant. En d’autres termes, sous l’excitation de la résonance, SPPs entrants sont générés pour créer de puissants champs plasmoniques que dynamiser les émetteurs. Une fois que les émetteurs sont excités, énergie d’eux peut être transféré à SPPs sortants, qui par la suite radiativement dissipent à champ lointain, donnant lieu à l’émission accrue. Ils définissent SPMF. Pour les émetteurs de deux niveaux simples, l’excitation renvoie à la transition accrue d’électrons entre le sol et les états excités alors que l’émission définit la désintégration des électrons vers les États fondamentaux, accompagnées d’une émission de photon aux longueurs d’onde définie par la différence d’énergie entre les états excités et de masse. Les conditions d’excitation et d’émission pour le SPMF sont nécessaires pour atteindre la phase connue correspondant à équation pour exciter les entrants et sortants SPPs9
(1)
où εun et εm sont les constantes diélectriques des diélectriques et le métal, θ et φ sont les angles incidents et azimutales, P est la période du tableau, λ est la longueur d’onde d’excitation et d’émission, et m et n sont des entiers spécifiant l’ordre de RCR. Pour l’excitation, le wavevector dans le plan du faisceau laser sera Bragg dispersés aux match momentum avec le RCR entrant et le θ et φ ensemble définissent la configuration spécifiée incidente pour excitant la RCR pour améliorer l’absorption électronique à la excitation d’onde λex. De même, pour l’émission, le RCR sortant sera inversement Bragg dispersés pour correspondre avec la ligne claire et les angles représentent maintenant les canaux d’émission possible à l’émission d’onde λem. Toutefois, il est à noter que comme les émetteurs peuvent accrocher leur énergie à vectoriels SPPs multiplication avec 
qui a la même grandeur 
mais des directions différentes, la RCR peut se désintégrer par l’intermédiaire de diverses combinaisons de (m, n) à l’équation suivante champ lointain (1).
En utilisant le modèle d’équation de taux et de la théorie des modes couplés temporelle (CMT), nous trouver que l’excitation taux Γex, c'est-à-dire, le taux de transfert d’énergie de RCR aux émetteurs, peut être exprimée en9,12,13
(2)
où η est le taux susmentionnés excitation directe en l’absence de la RCR entrants, Γtot est le taux de désintégration totale de la RCR entrant 
dans lequel Γabs et Γrad sont l’absorption ohmique et taux de désexcitation radiative de RCR, et 
est le ratio de puissance de photoluminescence avec et sans les SPPs entrants. En revanche, le couplage taux Γc, c'est-à-dire, le taux de transfert d’énergie des émetteurs à un RCR, peut être écrite comme :
(3)
où Γr est le taux d’émissions directes, 
est le ratio de puissance de photoluminescence entre αth SPP médiée par désintégration et ports directe et Γradα et Γtot sont les tarifs de désexcitation radiative pour le port deth α et le taux de décomposition totale. Nous allons voir que, alors que tous les taux de décroissance de PSP peuvent être mesurées par spectroscopie de réflectivité, le facteur de puissance d’émission peut être déterminé par spectroscopie de photoluminescence. Détails des formulations peuvent être trouvés dans référence9,10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. installation de la lithographie d’interférence
NOTE : Lithographie d’interférence est utilisée pour fabriquer les tableaux périodiques12. La configuration schématique, comme le montre la Figure 1, est composée comme suit :
- L’accent du 325 nm laser d’un laser multimode HeCd une 13 X UV lentille d’objectif et passe à travers un trou de 50 μm basée filtre spatial pour le mode de nettoyage.
- Placez deux Iris de diamètre 2,5 cm 30 cm de distance pour filtrer davantage la région centrale de la lumière déviée. Après le deuxième iris, le diamètre du faisceau est égale à 2,5 cm et augmente très lentement avec la distance, qui est < 3 cm à 1 m de distance de l’iris de deuxième. La lumière est censée être collimatée près.
Remarque : La sortie du deuxième iris doit être uniforme lorsque vérifié par l’oeil nu. - Orienter le faisceau collimaté à interféromètre miroir un Lloyd. Le programme d’installation de la Lloyd contient un porte-échantillon à base de prism et une perpendiculaire de miroir positionné de 5,04 cm à elle. Les illuminations directes et réfléchies ensemble créent une onde stationnaire stable le long de la surface de l’échantillon de structuration. Le prisme agit comme un dispositif antireflet.
Remarque : La période P de l’onde stationnaire peut être écrit comme :
, où λ = 325 nm et α est l’angle d’incidence en ce qui concerne l’échantillon normal, comme le montre la Figure 1. L’angle d’incidence peut être ajustée en tournant le programme d’installation de la Lloyd.
, où λ = 325 nm et α est l’angle d’incidence en ce qui concerne l’échantillon normal, comme le montre la Figure 1. L’angle d’incidence peut être ajustée en tournant le programme d’installation de la Lloyd.2. préparation du tableau périodiques
Remarque : L’échantillon est préparé conformément à la procédure standard, suggérée par le fabricant. Toutes les procédures sont effectuées à température ambiante.
- Utiliser un substrat de verre de 1 cm2 . Nettoyez la vitre avec du méthanol acétone pendant 10 min dans un bain ultrasonique chaque et ensuite pré cuis au four sur une plaque de cuisson à 200 ° C pendant 1 h enlever la saleté.
- Spin-manteau du substrat de verre avec une couche d’adhérence épais nm 5 et un 100 nm épais négatif SU-8 photorésine avec un essorage bi-vitesse-coater.
- Diluer la résine SU-8 photosensible avec Gamma-Butyrolactone dans un rapport de 1:5 (v/v) pour que l’épaisseur peut être contrôlé à près de 100 nm après Enduction centrifuge.
- Déposer 3-5 gouttes (0,2 mL) de solution d’adhérence sur le substrat en verre et un essorage à 600 tr/min pendant 10 s et 3600 t/mn pendant 1 min, consécutivement.
- Répétez l’étape 2.2.2 avec 5-7 (0,3 mL) gouttes dilués SU-8 étape 2.2.1 à la même vitesse.
Remarque : La couche d’adhérence améliore l’adhérence entre le substrat de verre et la résine photosensible, afin que la résine photosensible ne serait pas décoller au cours de l’élaboration. L’épaisseur de la couche de SU-8 est contrôlée par la concentration et la vitesse d’essorage-coater.
- Précuites l’échantillon sur plaques de 65 ° C et 95 ° C pendant 1 min chaque. Fours ne sont pas recommandés ici.
- Transférer l’échantillon dans le prisme de l’interféromètre. Ajouter une goutte d’indice de réfraction correspondant à huile (n = 1,45) pour fixer l’échantillon sur le prisme. Placez-le au plus près le miroir que possible.
Remarque : L’échantillon est fixée sur la surface du prisme en raison de la tension superficielle de l’huile. L’indice de réfraction du pétrole est choisie pour être le même que le substrat "prism" et verre pour éliminer une réflexion arrière de l’interférence. - Pour un trellis carré bidimensionnel, exposer l’échantillon deux fois avec le même temps d’exposition mais les directions orthogonales ; autrement dit, exposer l’échantillon et puis il tourne de 90° pour la seconde exposition. Lorsque la résine photosensible est exposée à une lumière nm 325, il crosslinks et ne peut être dissous par le développeur de SU-8.
NOTE : Le diamètre D du tableau peut être contrôlé en ajustant la durée d’exposition. - Dur, cuire au four de l’échantillon à 65 ° C et 95 ° C pendant 2 min afin d’empêcher le film fissuration.
- Plonger l’ensemble de l’échantillon en développeur pendant 2 min avec agitation continue à dissoudre la zone non exposée.
- Immergez l’échantillon dans l’alcool isopropylique pendant 1 min rincer les résidus et puis sécher à l’air comprimé. Un tableau de nanohole est alors produit.
3. or Film dépôts et le revêtement de l’émetteur de lumière
- Fixer l’échantillon sur le porte-échantillon du magnétron radiofréquence pulvérisation système de dépôt avec ruban adhésif double-face pour les dépôts de films Au.
- Pompe vers le bas de la chambre pour une 2 x 10-6 Torr pression de base à l’aide d’une pompe turbomoléculaire et ensuite retour remplir avec 6 x 10-3 Torr ultra ultra-purs gaz Ar.
- Utiliser une cible d’UA de 99,9 % de diamètre 5 cm et placer un obturateur entre l’échantillon et la cible. Utiliser la puissance faible (50 W) pour réduire le taux de dépôt ainsi que la rugosité de la surface. Avec l’obturateur fermé, avant de bredouiller la cible pendant 10 min enlever la saleté.
- Ouvrir l’obturateur pour traiter de déposition à température ambiante pendant 20 min. Une épaisseur de film de 100 nm est déposé régulièrement pour s’assurer que le système plasmonique est optiquement épais avec aucune transmission.
- Une fois que l’échantillon est prêt, spin-manteau la lumière émettant des matériaux tels que colorants organiques ou quantique points sur la surface du métal pour former une couche mince de diélectriques.
- Pour la teinture de styryl 8 utilisée dans la référence9, dissoudre 20 µg de styryl 8 et 500 µg de polymère d’alcool polyvinylique (PVA) dans 5 mL de méthanol.
- Appliquer 3 à 5 gouttes (0,2 mL) de solution de colorant sur l’échantillon et tournent à 600 tr/min pendant 10 s et 3600 t/mn pendant 1 min consécutivement. L’épaisseur est estimée à 80 nm.
Remarque : L’eau soluble ou insoluble polymère peut être utilisé comme ancrage matériel selon le type de matériau luminescent. Cependant, le polymère doit être non-émissif afin qu’il n’interférerait pas avec les mesures de photoluminescence. Polymère d’alcool polyvinylique (PVA) est recommandé pour dissoudre des colorants solubles dans l’eau comme la rhodamine 6 G et styryl 8.
4. réflectivité Mensurations pour déterminer la vitesse de décomposition de la SPP.
Remarque : L’installation résolu de polarisation et d’angle de spectroscopie de réflectivité est montrée dans la Figure 2. Il se compose d’un goniomètre avec trois étapes de rotation pour indépendamment de changer l’orientation de l’échantillon (phase 1) et angle de détection (étape 2) ainsi que l’angle azimutal de l’échantillon (étape 3).
- Utilisez une lumière blanche à large bande par une lampe à quartz comme source lumineuse. Tout d’abord de le coupler à un faisceau de fibres multimodes et ensuite il collimater par une paire de lentilles colinéaires de face à face l’objectif (5 X et 60 X). Illuminer le faisceau sur l’échantillon à différents angles d’incidence en changeant l’orientation de l’échantillon. Placez une paire d’incident polariseur et l’analyseur de détection avant et après le prélèvement pour les mesures dépendant de la polarisation.
Remarque : Les objectifs face à agissent comme un système de lentilles qui aligne et élargit la source de lumière blanche de la fibre multimode. - Utiliser une fibre multimode pour recueillir la réflexion spéculaire de l’échantillon, qui est relié à un spectromètre et un détecteur CCD pour la spectroscopie.
- Aligner le programme d’installation avec soin pour s’assurer que l’étape d’orientation échantillon et étapes de rotation de détection sont concentriques, i.e., leur axe de rotation est colinéaires.
- Calibrer l’installation avec un film Au plat. Mesurer les spectres de réflexion à différents angles d’incidence et de les comparer avec les spectres de réflexion théorique calculés par équations de Fresnel en utilisant une fonction connue de diélectrique Au. Les deux ensembles de données soient compatibles avec moins de 5 % d’erreur.
- Lorsque l’installation est prête, mesurer linéairement polarisées, p ou s, les spectres de réflexion de l’échantillon à différents angles d’incidence. La taille du pas de l’angle d’incidence est de 0,5 ° et la résolution de longueur d’onde est de 0,66 nm. Pour collecter les spectres sous plusieurs angles d’incidence, un programme de contrôle est écrit pour l’automatisation, y compris le mouvement mécanique, commande de l’obturateur, d’acquisition de données, soustraction de fond, etc..
Remarque : Cette étape est faite par le calcul. Le programme est disponible sur demande. S’il vous plaît envoyer un email à l’auteur correspondant pour obtenir le code source si nécessaire. - Contour terrain la réflectivité vs angle longueur d’onde et incident afin d’obtenir la relation de dispersion du système plasmonique pour détermination de mode d’identification et de la décomposition de taux.
Remarque : L’angle azimutal de l’échantillon est de localiser la position dans la zone de Brillouin. Par exemple, pour l’échantillon de treillis carré, faites pivoter l’échantillon azimutale une de ses périodes est parallèle à la plane incidente et cela définit la direction de Γ-X. Tourner l’échantillon de 45° pour définir la direction de Γ-M. - Si l’incident polarisé est fixé à 45° par rapport au plan incident et l’analyseur est à-45 °, mesurer le mappage orthogonales ou polarisation croisée, réflectivité.
- Extraire les spectres de réflexion polarisation p et orthogonaux et fixez-les à l’aide de CMT9,12,13, comme décrit dans l’explication pour déterminer le taux de décomposition de RCR.
5. Photoluminescence mesures pour déterminer le facteur de puissance d’émission
Remarque : Le montage de photoluminescence résolue en angle et en polarisation est illustré à la Figure 3.
- Remplacer la source lumineuse à large bande avec 514 ions d’argon nm ou par un laser HeNe 633 nm. Utilisez un filtre de ligne laser avec une pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) inférieure à 5 nm à nettoyer le laser spectralement et placer une plaque de demi-onde pour contrôler l’état de polarisation du faisceau laser. Le goniomètre et l’unité de détection restent inchangés. Placez un filtre avant de l’appareil de détection pour enlever la ligne laser, qui enterre la luminescence.
Remarque : La longueur d’onde du laser dépend du type de matériaux électroluminescentes. Énergie de photon supérieure est nécessaire pour exciter le matériau avec la courte longueur d’onde d’émission. - Pour mesurer le facteur de puissance d’émission pour l’équation (2) et (3), procéder à deux types de mesures : les analyses de détection et d’incident. L’interaction entre l’incident et détection scans aident à déterminer
, 
, 
, et 
. - Pour l’analyse de l’incident, varier l’angle d’incidence en continu mais fixer l’angle de détection en ce qui concerne l’échantillon normal.
Remarque : Cette étape est faite par le calcul. Cette configuration excite sélectivement la RCR entrant, qui sont l’angle incident dépendant, tout en surveillant la variation de l’émission sous l’angle de détection choisi. En d’autres termes, l’émission augmente lorsque l’angle d’incidence remplit la phase correspondant à l’équation dans l’équation (1).- Contour terrain les spectres de photoluminescence contre la longueur d’onde et l’angle d’incidence pour le mappage de l’incident de scan. Mesurer les mappages pour les angles de détection différentes mais les intensités relatives sont trouvées la même chose. Par conséquent, l’analyse des incident sondes l’effet des SPPs entrants sur l’émission ou tout simplement l’amélioration d’excitation, qui permet de mesurer et .
- Contour terrain les spectres de photoluminescence contre la longueur d’onde et l’angle d’incidence pour le mappage de l’incident de scan. Mesurer les mappages pour les angles de détection différentes mais les intensités relatives sont trouvées la même chose. Par conséquent, l’analyse des incident sondes l’effet des SPPs entrants sur l’émission ou tout simplement l’amélioration d’excitation, qui permet de mesurer
- Pour l’analyse de détection, fixer l’angle d’incidence en ce qui concerne l’échantillon normal mais varier l’angle de détection.
Remarque : Cette étape est faite par le calcul.- De même, le contour tracé les spectres de photoluminescence avec longueur d’onde et la détection d’angle la détection scan cartographie des rendements. Comme l’émission SPP découle de l’amortissement de rayonnement de RCR, l’émission est fortement dépendant d’angle de détection. Par conséquent, sous excitation constante, l’émission augmente lorsque l’angle de détection remplit EQ. (1). Cette configuration l’augmentation des émissions des sondes et permet de déterminer α différentth commandez aussi longtemps qu’elle a dépendance angle de détection bien définis.
- De même, le contour tracé les spectres de photoluminescence avec longueur d’onde et la détection d’angle la détection scan cartographie des rendements. Comme l’émission SPP découle de l’amortissement de rayonnement de RCR, l’émission est fortement dépendant d’angle de détection. Par conséquent, sous excitation constante, l’émission augmente lorsque l’angle de détection remplit EQ. (1). Cette configuration l’augmentation des émissions des sondes et permet de déterminer
, 
, 
, et 
.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Un exemple d’un tableau périodique Au est donné dans l’encart de la Figure 4 a8. L’image d’affichage SEM plan montre que l’échantillon est un tableau de trou circulaire de treillis carré 2D avec une période de 510 nm, à une profondeur de trou de 280 nm et un diamètre de 140 nm. Le mappage de réflectivité polarisation p pris le long de la direction de Γ-X est illustré à la Figure 4 a. La ligne pointillée est calculée par la phase correspondant à équation EQ. (1) indiquant que (m = -1, n = 0) RCR est excités.
Lorsque le polariseur et l’analyseur sont définies aux points orthogonaux, le mappage de réflectivité correspondant apparaît dans la Figure 4 b. Nous voyons que le mappage est presque identique à la cartographie polarisée linéaire sauf le fond devient zéro que la réflexion non résonant est enlevée par l’analyseur. En outre, les profils de réflectivité sont modifiés de trempettes pics comme seuls les SPP rayonnement amortissement restes après la suppression de l’arrière-plan.
En fait, la relation de dispersion est un bon outil pour l’étude SPMF. En supposant que la longueur d’onde de l’excitation laser est de 700 nm, SPPs entrants seront générées à un angle d’incidence 19° et ils interagiront avec les émetteurs si correspond à leur bande d’absorption. D’autre part, des émissions SPP seront détectées à un angle d’incidence 23° si l’émission se produit à 730 nm. Par conséquent, les résonances SPP nous permettent pour exciter la RCR entrant pour l’amélioration de l’excitation et de localiser les SPPs sortants pour l’amélioration de l’émission.
Nous filer manteau CdSeTe quantum dots dopé PVA polymère sur le tableau10. Figure 5 a & 5 b afficher le mappage de réflectivité orthogonaux et polarisation p pris le long de la long de la direction de Γ-X, montrant les (-1,0). Figure 5C & 5D montre que l’incident de photoluminescence et la détection correspondante scan mappages prises à la détection et les angles d’incidence de 0 ° c et 0 °, respectivement. Le laser longueur d’onde λex est 633 nm. En effet, conformément à la cartographie de la réflectivité, nous voyons que la forte émission s’effectue à un angle d’incidence de 18,5 ° où l’entrant (-1,0) RCR est excités. En revanche, lors de la détection, la forte ressemblance entre la réflectivité et la photoluminescence vérifie que les émissions se trouvent renforcées lorsque les SPPs sortants sont excités.
La détermination de l’excitation et le taux de couplage exige que le taux de décroissance SPP et photoluminescence des rapports de puissance10. Pour déterminer le taux de décomposition à 633 nm dans la direction de Γ-X, les spectres de réflectivité orthogonaux et polarisation p extraites de la Figure 5 a et 5 b sont indiquées dans Figure 6 a. Le spectre de polarisation p présente un profil de Fano-like qui peut être décrit comme 
, oùp est la réflectivité non résonante et ωSPP est l’énergie des photons résonnant, tandis que l’homologue orthogonal suit 
, présentant un Lineshape lorentzienne12. Ils sont alors mieux ajustées et le taux de désintégration totale et radiatives, Γtot et Γrad, sont 95,08 et 27,15 meV (avec h).
En revanche, le ratio de puissance de photoluminescence est obtenu comme suit. Lors de l’incident en Figure 5 c, le profil d’émission à l’émission d’onde λem = 690 nm, où est localisé l’émission directe, est extraite dans la Figure 6 b. Le rapport de puissance 
, qui est défini comme l’émission directe avec et sans les SPPs entrants, est tout simplement l’intensité à 18,5 ° divisé par le fond plat (6.896). 
est alors considérée comme 574,04 meV.
En revanche, le taux de couplage est d’émission d’onde dépendante. La longueur d’onde d’émission à 690 nm est choisi comme exemple. Les taux de décomposition totale et radiatives, Γtot et Γrad, sont 60.06 et 17,12 meV (avec h), respectivement. Le profil de numérisation de détection est extraite de la Figure 5 d et affiché dans la Figure 6C. Le rapport de puissance 
est défini comme le (-1,0) des émissions SPP divisé par l’émission directe de demi-espace, en supposant que l’échantillon n’a pas de transmission. Étant donné que le détecteur couvre un angle solide ΔΩ ~ π37202 sr, pour une surface lambertien, 
, où b suit le fond en Figure 6 c comme 
. En revanche, le 
est donné comme le profil de pic divisé par ΔΩ. Ainsi, 
s’avère 0,805.
Figure 1 . Schématique de la lithographie de brouillage. Une lumière de laser 325 nm porté à travers un filtre spatial et puis s’allume pour interféromètre de miroir d’un Lloyd où se trouve l’échantillon. Les formes d’ondes stationnaires le long de la surface de l’échantillon pour l’exposition. En médaillon : schéma de la vue de dessus et de côté de l’exemple terminée à l’article 2. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 . Spectroscopie de réflectivité de polarisation et angle-résolue. (a) schémas de polarisation et angle-résolue de spectroscopie de réflectivité. Trois étapes de rotation sont utilisés pour construire le goniomètre. Une fibre multimode couplé spectromètre et détecteur de CCD est utilisé pour la détection. Une source de lumière blanche à large bande est utilisée pour les mesures de réflectivité. (b), à la vie réelle image de la majeure partie (case de pointillé noir (un)) de la spectroscopie de réflectivité résolue de polarisation et d’angle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 . Schémas de polarisation et angle-résolue de spectroscopie de photoluminescence. Un laser de 514 ou 633 nm est utilisé pour la photoluminescence. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 . Mappages de réflectivité et de la vitesse de décomposition déduite. (a) la cartographie de polarisation p réflectivité d’une UA tableau pris le long de la direction de Γ-X. La ligne pointillée est calculée en utilisant la phase correspondant à équation, montrant (-1,0) RCR est excités à différentes longueurs d’onde. En médaillon : l’avion SEM image d’affichage du tableau. (b) la réflectivité orthogonale correspondante cartographie montrant que l’arrière-plan est annulé et la réflectivité plonge maintenant devenir des pics. (c) l’intrigue de Γtot et Γrad en fonction de la longueur d’onde. Les résultats sont tirés de référence9. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 . L’incident, la réflectivité et la détection scan mappages d’un tableau recouvert de points quantiques de CdSeTe prises le long de la direction de Γ-X. Le (a) p-polarisé et mappages de réflectivité orthogonale (b) et la correspondante détection photoluminescence (c) de l’incident et (d) scan mappages prises à angle de détection et d’incident = 0 ° et 0 °, respectivement. Le laser longueur d’onde λex est 633 nm. Les résultats sont tirés de référence10. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 . Réflectivité représentative, incident et détection scan profil. (a) la réflectivité polarisation p et orthogonale spectres ainsi que les meilleures fit pour déterminer Γtot et Γrad à 633 nm. (b), la détection d’incident et (c) extrait (b) les profils de numérisation. Les résultats sont tirés de référence10. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dans ce protocole, il y a plusieurs étapes cruciales. Tout d’abord, mécanique stabilité est cruciale dans la préparation de l’échantillon. Les ondes stationnaires générées par le programme d’installation de Lloyd est sensible à la différence de phase entre deux faisceaux d’éclairage. Par conséquent, toute vibration pendant le temps d’exposition se dégradera l’uniformité et la netteté des bords de la nanohole. Il est fortement recommandé d’opérer dans un environnement exempt de vibrations, par exemple, une table optique avec supports d’isolement de vibration. En outre, laser à haute puissance est également souhaitée afin de minimiser les vibrations qu’il réduit les temps d’exposition en conséquence. Deuxièmement, le trou d’épingle à l’étape 1.1 doit être correctement choisi. La taille du trou doit être assez petit pour le mode de nettoyage d’un côté et toujours assez grand pour transmettre la puissance suffisante pour l’exposition de l’autre côté. Nous recommandons un sténopé de 50 μm et 13 X, objectif pour le laser multimode HeCd. En troisième lieu, il est noté que la raie Lorentzienne de réflectivité orthogonale est valide uniquement lorsque sontp≈ rs, où sontp et rs sont non résonant réflectivité pour p et s-polarisation éclairage12. Toutefois, pour un tableau de nanohole avec angle d’incidence oblique ou certains métamatériaux anisotrope, la différence entre rp et rs ne peut pas être négligée et la réflectivité qui en résulte donne 
, donnant naissance à Fano lineshape.
En résumé, ce protocole décrit une méthode pour déterminer l’excitation et le couplage des taux entre les émetteurs de lumière et de RCR de tableaux périodiques métalliques 2D. Le débit est mesuré par polarisation-résolue en angle et réflectivité et photoluminescence spectroscopie, qui sont tous deux techniques de domaine de fréquence. Par rapport aux techniques classiques de résolution temporelle, cette méthode ne différencie les processus d’excitation et désintégration du SPMF, qui ne sont pas considérés dans la plupart des études amélioration fluorescence, mais détermine également le taux de couplage des émetteurs de lumière à différents modes SPP. Comme les techniques de résolution temporelle seulement mesurent la durée de vie totale d’un émetteur de lumière et sont incapables d’identifier les contributions des différents modes de résonance, notre méthode serait certainement ajouter valeur pour ce champ surtout quand les émetteurs de lumière sont placés dans un complexe système de résonance. Pour un système plasmonique périodique, 
mode a une direction de décomposition bien définis alors que les émissions directes sont considérée comme isotrope. Leurs différences en direction d’émission donnent lieu à l’identification de la mode. Comme émission directionnelle est un comportement universel dans les nanomatériaux, cette différenciation peut facilement être étendue à d’autres systèmes résonnants comme des métamatériaux et cristaux photoniques. Nous prévoyons que cette technique pour être une technologie habilitante pour étudier l’augmentation de la fluorescence entre émetteurs de lumière et de cavités résonnantes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier concurrentes.
Acknowledgments
Cette recherche a été financée par l’Université chinoise de Hong Kong par le biais de la 4053077 de subventions directes et 4441179, RGC affectés recherche subventions concurrentielles, 402812 et 14304314 et zone d’Excellence AoE/P-02/12.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SU-8 | MicroChem | SU-8 2000.5 | |
| Adhesion solution | MicroChem | Omnicoat | |
| SU-8 Thinner (Gamma-Butyrolactone) | MicroChem | SU-8 2000 Thinner | |
| SU-8 Developer | MicroChem | SU-8 Developer | |
| Spin Coater | Chemat Technology | KW-4A | |
| HeCd laser | KIMMON KOHA CO., LTd | IK3552R-G | |
| Shutter | Thorlabs | SH05 | |
| Objective for sample preparation | Newport | U-13X | |
| Pinhole | Newport | PNH-50 | |
| Iris | Newport | M-DI47.50 | |
| Prism | Thorlabs | PS611 | |
| Rotation stage for sample preparation | Newport | 481-A | |
| Supttering Deposition System | Homemade | ||
| Rotation Stage 1 | Newport | URM80ACC | |
| Rotation Stage 2 | Newport | RV120PP | |
| Rotation Stage 3 | Newport | SR50PP | |
| Detection arm | Homemade | ||
| Quartz lamp | Newport | 66884 | |
| Fiber Bundle | Newport | 77578 | |
| Objective for measurement | Newport | M-5X & M-60X | |
| Polarizer & Analyzer | Thorlabs | GT15 | |
| Multimode Fiber | Thorlabs | BFL105LS02 | |
| Spectrometer | Newport | MS260i | |
| CCD | Andor | DV420-OE | |
| 514nm Argon Ion Laser | Spectra-Physics | 177-G01 | |
| 633nm HeNe Laser | Newport | R-32413 | |
| CdSeTe quantum dot | Thermo Fisher Scientific | q21061mp | |
| Polyvinyl alcohol polymer (PVA) | SIGMA-ALDRICH | 363073 | |
| Control program | National Instruments | LabVIEW |
References
- Okamoto, K., et al. Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells. Nature Materials. 3 (9), 601-605 (2004).
- Akselrod, G. M., et al. Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors. Nano Letters. 15 (5), 3578-3584 (2015).
- Gontijo, I., et al. Coupling of InGaN quantum-well photoluminescence to silver surface plasmons. Physical Review B. 60 (16), 11564 (1999).
- Huang, K. C. Y., et al. Antenna electrodes for controlling electroluminescence. Nature Communications. 3, 1005 (2012).
- Atwater, H. A., Polman, A. Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature Materials. 9 (3), 205-213 (2010).
- Anker, J. N., et al. Biosensing with plasmonic nanosensors. Nature Materials. 7 (6), 442-453 (2008).
- Chen, Y., et al. Excitation enhancement of CdSe quantum dots by single metal nanoparticles. Applied Physics Letters. 93 (5), 053106 (2008).
- Birowosuto, M. D., Skipetrov, S. E., Vos, W. L., Mosk, A. P. Observation of Spatial Fluctuations of the Local Density of States in Random Photonic Media. Physical Review Letters. 105 (1), 013904 (2010).
- Cao, Z. L., Ong, H. C. Determination of coupling rate of light emitter to surface plasmon polaritons supported on nanohole array. Applied Physics Letters. 102 (24), 241109 (2013).
- Lin, M., Cao, Z. L., Ong, H. C. Determination of the excitation rate of quantum dots mediated by momentum-resolved Bloch-like surface plasmon polaritons. Optics Express. 25 (6), 6029-6103 (2017).
- Nikolaev, I. S., Lodahl, P., Driel, A. F. V., Koenderink, A. F., Vos, W. L. Strongly nonexponential time-resolved fluorescence of quantum-dot ensembles in three-dimensional photonic crystals. Physical Review B. 75 (11), 115302 (2007).
- Cao, Z. L., Lo, H. Y., Ong, H. C. Determination of absorption and radiative decay rates of surface plasmon polaritons from nanohole array. Optics Letters. 37 (24), 5166-5168 (2012).
- Haus, H. A. Waves and Fields in Optoelectronics. , Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J. (1984).
