Fastsettelse av magnetisering og kopling priser mellom lys emittere og overflate Plasmon Polaritons

Summary

Denne protokollen beskriver instrumentering for å bestemme magnetisering og kopling priser mellom lys emittere og Bloch-lignende overflate plasmon polaritons som følge av periodiske matriser.

Abstract

Vi har utviklet en unik metode for å måle magnetisering og kopling priser mellom lys emittere og overflate plasmon polaritons (SPPer) som oppstår fra metallisk periodiske matriser uten å involvere tid-løst teknikker. Vi har formulert priser av antallene som kan måles ved enkel optisk målinger. Instrumentering basert på vinkel – og polarisering-løst Reflektivitet og photoluminescence spektroskopi beskrives i detalj her. Vår tilnærming er spennende på grunn av sin enkelhet, som krever rutinemessig optikk og flere mekanisk stadier, og dermed er svært rimelig for de fleste av forskningslaboratorier.

Introduction

Overflaten plasmon mediert fluorescens (SPMF) har fått stor oppmerksomhet nylig^1,2,3,4,5,6. Når lys emittere plasseres i umiddelbar nærhet til et plasmonic system, kan energi overføres mellom emittere og overflate plasmon polaritons (SPPer). Generelt, kan sterk plasmonic feltene sterkt forbedre magnetisering av emittere². Samtidig, er utslipp frekvensen også økt på grunn av stor tetthet-av-delstater som er opprettet av SPPer, gir den velkjente Purcell effekt³. Disse to prosessene fungerer hånd i hånd i produksjon av SPMF. Som SPMF har stimulert mange programmer i SSD belysning^1,4, energihøsting⁵og bio-Gjenkjenningsmerknad⁶, er det for tiden under intensiv etterforskning. Spesielt kunnskap om energi forflytning ratene fra SPPer til emittere og omvendt, dvs. magnetisering og kopling priser, er av stor betydning. Men eksitasjon og utslipp prosessene er vanligvis fanget sammen, studie på dette aspektet er fremdeles mangler. De fleste studiene bestemmer for eksempel bare eksitasjon effektivitet forholdet, som bare sammenligner utslipp med og uten SPPer⁷. De nøyaktige målene eksitasjon hastigheten er fremdeles mangler. På den annen side, løst konvensjonelle tid-teknikker som fluorescens levetid spektroskopi rutinemessig brukes for å studere dynamikken i utslipp prosessen, men de kan ikke skille koblingen hastigheten fra totalt forfall hastighet⁸. Her beskriver vi hvordan en kan finne dem ved å kombinere hastighet likning modell og tidsmessige kombinert modus teori^9,10. Bemerkelsesverdig, finner vi at magnetisering og kopling priser kan uttrykkes i målbare mengder, som kan nås ved å utføre vinkel – og polarisering-løst Reflektivitet og photoluminescence spektroskopi. Vi først skissere utformingen og deretter beskriver instrumentering i detalj. Denne tilnærmingen er helt frekvens domene og krever ikke noen gang-løst tilbehør som ultra-rask lasere og tid-korrelert single-fotonet tellere, som er dyre og noen ganger vanskelig å gjennomføre^{8, 11}. vi forventer denne teknikken for å bli en muliggjør teknologi for å bestemme magnetisering og kopling priser mellom lys emittere og resonant hulrom.

SPMF i periodiske systemer er orientert her. For en periodisk plasmonic system hvor Bloch-lignende SPPer kan genereres, direkte eksitasjon og utslipp, som er preget av eksitasjon effektivitet η og spontan utslipp rate Γ_r, emittere kan bli opphisset av innkommende SPPer og forfall via utgående SPPer. Med andre ord, under resonans eksitasjon genereres innkommende SPPer for å opprette sterke plasmonic felt som energi emittere. Når emittere er spent, kan energi fra dem overføres til utgående SPPer, som senere radiatively spre langt-feltet, gir opphav til forbedret utslipp. De definerer SPMF. For enkel to-nivå emittere refererer magnetisering til økt overgangen av elektroner fra bakken til spent USA mens utslipp definerer forfallet av elektroner tilbake til bakken statene, ledsaget av Foton utslipp på bølgelengder definert av energi forskjellen mellom glade og USA. Eksitasjon og utslipp betingelsene for SPMF kreves for å oppfylle den velkjente fasen matchende ligningen å opphisse innkommende og utgående SPPer⁹

(1)

hvor ε_en og ε_m er dielektrisk konstantene i dielektriske og metall, θ og φ er hendelsen og asimut vinkler, P er perioden av matrisen, λ er bølgelengdeområdet eksitasjon eller utslipp og m og n er heltall angir Føniksordenen SPPer. For eksitasjon, i-flyet wavevector av laserstrålen blir Bragg spredt momentum kamp med de innkommende SPPer og θ og φ sammen definerer den angitte hendelse konfigurasjonen for spennende SPPer å forbedre elektronisk opptaket på den eksitasjon bølgelengde λ_ex. Likeledes for utslipp blir de utgående SPPer reversert Bragg spredt for å matche med lys linje og vinkler representere nå mulig utslipp kanalene på utslipp bølgelengde λ_em. Imidlertid bemerkes at emittere kan par energi til vectorial spre SPPer med som har samme størrelsesorden men forskjellige retninger, SPPer kan forfalle via ulike kombinasjon av (m, n) til langt-feltet følgende Eq. (1).

Ved hjelp av hastigheten ligningen modell og tidsmessige kombinert modus teori (CMT), vi finner at den eksitasjon rate Γ_ex, dvs. energi overføringshastigheten fra SPPer til emittere, som^9,12,13

(2)

hvor η er nevnte direkte eksitasjon i fravær av de innkommende SPPer, Γ_tot er totalt forfallet rate av de innkommende SPPer Γ_abs og Γ_rad er den ohmsk absorpsjon og strålingen nedbrytning av SPPer, og  er photoluminescence makt forholdet med og uten de innkommende SPPer. På den annen side, kan kopling rate Γ_c, dvs. energi overføringshastigheten fra emittere til SPPer, være skrevet som:

(3)

hvor Γ_r er direkte strålende ofte, er photoluminescence makt forholdet mellom α^th SPP formidlet decay og direkte porter, og Γ_rad^α og Γ_tot er strålingen nedbrytning priser for α^th port og totalt forfall priser. Vi vil se at mens alle SPP forfall priser kan måles ved Reflektivitet spektroskopi, utslipp kraft forholdet kan bestemmes ved photoluminescence spektroskopi. Detaljer om formuleringene finnes i referanse^9,10.

Protocol

1. oppsett av forstyrrelser Litografi Merk: Forstyrrelser litografi til å dikte den periodiske matriser12. Skjematisk oppsett, er som vist i figur 1bygget opp som følger: Fokusere 325 nm laser fra en HeCd multimode laser 13 X UV linsen og pass gjennom et 50 μm pinhole basert romlige filter for rengjøring-modus. Plass to 2,5 cm diameter iriser 30 cm fra hverandre for å filtrere den sentrale regionen avvikende lyset. …

Representative Results

Et eksempel på en Au periodiske matrise er gitt i rammemargen i figur 4a8. Flyet Vis SEM bildet viser at prøven er en 2D kvadrat gitter runde hull matrise med en periode på 510 nm, hull dyp 280 nm og hull diameter 140 nm. P-polarisert Reflektivitet tilordningen tatt Γ-X retning er vist i figur 4a. Dash-linje beregnes ved fasen matchende ligningen Eq. (1) som angir at (m = -1, n = 0) SPPer gleder. <…

Discussion

I denne protokollen finnes det flere kritiske trinn. Første, mekanisk stabilitet er avgjørende for eksempel forberedelse. Stående bølge generert av Lloyds installasjonsprogrammet er følsom for den fase forskjellen mellom to belysning bjelker. Derfor vil noen vibrasjon under eksponeringstid forringe ensartethet og kant skarphet av nanohole. Det anbefales å operere i et vibrasjonsfritt miljø, f.eks, en optisk tabell med vibrasjon isolasjon støtter. I tillegg er høy makt laser også ønsket å redusere vib…

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