Bepaling van de excitatie en koppeling tussen licht vervuilers en oppervlakte Plasmon Polaritons
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.
Protocol
Representative Results
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 ondersteu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. , (1984).
