Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Zhaolong Cao; Min Lin; Daniel Ong

doi:10.3791/56735

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Определение возбуждения и сцепления между излучателей света и поверхностного плазмон поляритонов

Published: July 21, 2018

doi:

10.3791/56735

Zhaolong Cao², Min Lin, Daniel Ong

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

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

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 Γ_r, 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

(1)

где ε и ε_m 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 λ_ex. 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 λ_Эм. Однако, следует отметить, что как излучателей можно пару их энергию для векториального размножаемый ППУ с , имеет ту же величину 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 Γ_ex, т.е. скорость передачи энергии от ППУ для излучателей, могут быть выражены как⁹^,¹²^,¹³

(2)

где η — коэффициент выше прямого возбуждения при отсутствии входящих ППУ, Γ_малыш это общий распад скорость входящего ППУ в котором Γ_abs и Γ_rad являются омического поглощения и радиационные распад темпы ППУ, и является коэффициент мощности фотолюминесценция с и без входящего ППУ. С другой стороны муфта скорость Γ_c, то есть скорость передачи энергии от излучателей в ППУ, может быть записана как:

(3)

где Γ_r – ставка прямых выбросов, это соотношение мощности фотолюминесценция между α^й SPP опосредованной распада и прямые порты, и Γ_rad^α и Γ_малыш радиационное воздействие распада ставки для порта^й 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.

Protocol

1. Установка вмешательства литографии Примечание: Вмешательство литографии используется для изготовления периодических массивы12. Схема установки, как показано на рисунке 1, строится следующим образом: Фокус 325 Нм лазер из HeCd многомодов?…

Representative Results

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 пол…

Discussion

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 буде?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citer Cet Article

Cao, Z., Lin, M., Ong, D. Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons. J. Vis. Exp. (137), e56735, doi:10.3791/56735 (2018).