Det här protokollet beskriver instrumenteringen för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och Bloch-liknande ytan plasmon polaritons som härrör från periodiska matriser.
Vi har utvecklat en unik metod för att mäta excitation och koppling priser mellan lätta sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs) som härrör från metalliska periodiska matriser utan medverkan av tid-löst tekniker. Vi har formulerat priserna av kvantiteter som kan mätas med enkla optiska mätningar. Instrumenteringen baserat på vinkel – och polarisering-löst reflektivitet och fotoluminescens spektroskopi kommer att beskrivas i detalj här. Vår strategi är spännande på grund av sin enkelhet, som kräver rutinmässig optik och flera mekaniska etapper, och således är mycket överkomligt för de flesta forskningslaboratorier.
Ytan plasmon medierad fluorescens (SPMF) har fått stor uppmärksamhet nyligen1,2,3,4,5,6. När ljus sändare placeras i närheten av ett plasmoniska system, kan energi överföras mellan sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs). De starka plasmoniska fält kan i allmänhet starkt förbättra magnetiseringen av sändare2. Samtidigt ökar också andelen utsläpp på grund av de stora density-av-staternas skapad av SPPs, ger den välkända Purcell effekt3. Dessa två processer arbetar hand i hand i producerar SPMF. Som SPMF har stimulerat många tillämpningar i solid-state belysning1,4, Energisamlande5och bio-upptäckt6, är det för närvarande under intensiv undersökning. I synnerhet kunskapen om de energi överföringshastigheter från SPPs till sändarna och vice versa, dvs magnetiseringen och koppling priser, är av stor betydelse. Men de excitation och utsläpp processerna är vanligtvis insnärjda tillsammans, studie om denna aspekt saknas fortfarande. Till exempel, avgöra de flesta studier bara excitation effektivitet förhållandet, som helt enkelt jämför utsläppen med och utan SPPs7. Exakt mätning av andelen excitation saknas fortfarande. Å andra löst konventionella tid-tekniker såsom fluorescens livstid spektroskopi används rutinmässigt för att studera dynamiken i processen som utsläpp, men de är oförmögna att skilja andelen koppling från den totala decay rate8. Här beskriver vi hur man kan bestämma dem genom att kombinera hastighet ekvation modellen och den temporal kopplat läge teori9,10. Anmärkningsvärt, finner vi att magnetiseringen och koppling priser kan uttryckas i form av mätbara storheter, som kan nås genom att utföra vinkel – och polarisering-löst reflektionsförmåga och fotoluminescens spektroskopi. Vi kommer först beskriva utformningen och sedan beskriva instrumenteringen i detalj. Detta synsätt är helt frekvens domän och det kräver inte någon tid-löst tillbehör som ultrasnabba lasrar och tid-korrelerade singel-photon räknare, vilket är dyrt och ibland svårt att genomföra8, 11. Vi räknar med denna teknik för att vara en möjliggörande teknik för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och resonant hålrum.
SPMF i periodiska system är informerade här. För en periodisk plasmoniska system där Bloch-liknande SPPs kan genereras, än direkt excitation och utsläpp, som kännetecknas av magnetiseringen effektivitet η och spontan emission rate Γr, sändarna kan vara upphetsad av inkommande SPPs och sönderfalla via utgående SPPs. Med andra ord, under resonans magnetisering genereras inkommande SPPs för att skapa starka plasmoniska fält att vitalisera sändarna. När sändarna är upphetsad, kan energi från dem överföras till utgående SPPs, som därefter radiatively försvinna till långt-fält, vilket ger upphov till ökat utsläpp. De definierar SPMF. För enkla två-nivå utsläppsländerna avser excitation ökad övergången av elektroner från marken till glada staterna medan utsläpp definierar förfalla av elektroner tillbaka till marken USA, tillsammans med photon emission vid våglängder som definieras av energiskillnaden mellan glada och marken. Excitation och utsläpp villkoren för SPMF är skyldiga att uppfylla den välkända fasen matchande ekvation att egga de inkommande och utgående SPPs9
(1)
där εen och εm är dielektrisk konstanter av dielektrika och metallen, θ och φ är incident och azimutala vinklarna, P är perioden av matrisen, λ är våglängden excitation eller utsläpp och m och n är de heltal som anger ordningen på SPPs. För magnetisering, blir den i-plane wavevector av laserstrålen Bragg utspridda till momentum match med de inkommande SPPs och de θ och φ grupp definierar den angivna händelsen konfigurationen för spännande i SPPs att förbättra den elektroniska absorptionen vid den magnetiseringen våglängd λex. Likaså för utsläpp blir de utgående SPPs omvänt Bragg utspridda för att matcha med lätta linjen och vinklarna representerar nu de möjliga utsläpp kanalerna på utsläpp våglängd λem. Dock noteras att när sändarna kan par sin energi till vectorial förökningsmaterial SPPs med som har samma storleksordning men olika riktningar, SPPs kan sönderfalla och via olika kombination av (m, n) till långt-området följande ekv (1).
Med hjälp av ränta ekvation modell och temporal kopplat läge teori (CMT), vi tycker att den excitation rate Γex, dvs energi överföringshastigheten från SPPs till sändare, kan uttryckas som9,12,13
(2)
där η är andelen ovannämnda direkta magnetiseringen i avsaknad av de inkommande SPPs, Γtot är andelen totala förfall de inkommande SPPs där Γabs och Γrad är ohmsk absorption och strålningstransport decay priser av SPPs, och är fotoluminescens makt förhållandet med och utan de inkommande SPPs. Däremot, kan den koppling rate Γc, dvs energi överföringshastigheten från sändare till SPPs, skrivas som:
(3)
där Γr är den direkta utsläpp frekvens är fotoluminescens makt förhållandet mellan αth SPP medierad sönderfall och direkt hamnar och Γradα och Γtot de radiative decay priserna för αth port och de totala förfall priserna. Vi kommer att se att medan alla SPP decay priserna kan mätas genom reflektionsförmåga spektroskopi, utsläpp makt förhållandet kan bestämmas av fotoluminescens spektroskopi. Detaljer av formuleringar kan hittas i referens9,10.
I detta protokoll finns det flera kritiska steg. Första, mekanisk stabilitet är avgörande för provberedning. Den stående våg genereras av Lloyd’s setup är känslig fas skillnaden mellan två belysning balkar. Därför kommer att några vibrationer under exponeringstiden försämra enhetligheten och kantskärpa av nanohole. Det rekommenderas starkt att fungera i en vibrationsfri miljö, t.ex., en optisk bord med vibrationer isolering stöder. Hög effekt laser önskas dessutom också att minimera vibration…
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning stöddes av Chinese University of Hong Kong genom den direkta bidrag-4053077 och 4441179, RGC konkurrenskraftiga öronmärkta forskningsanslag, 402812 och 14304314, och området av Excellence AoE/P-02/12.
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 |