प्रकाश उत्सर्जक और सतह Plasmon Polaritons के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण
Summary
इस प्रोटोकॉल उत्तेजना और प्रकाश उत्सर्जक और Bloch की तरह सतह plasmon polaritons आवधिक arrays से उत्पंन होने के बीच युग्मन दरों का निर्धारण करने के लिए उपकरण का वर्णन ।
Abstract
हम प्रकाश उत्सर्जक और सतह plasmon polaritons के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों को मापने के लिए एक अनूठा तरीका विकसित किया है (SPPs) समय का समाधान तकनीक को शामिल किए बिना धातु आवधिक arrays से उत्पंन । हम मात्रा है कि सरल ऑप्टिकल माप से मापा जा सकता है द्वारा दरों तैयार की है । कोण-और ध्रुवीकरण पर आधारित कर्मशाला-हल भावना और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी का वर्णन यहाँ विस्तार से किया जाएगा. हमारे दृष्टिकोण अपनी सादगी के कारण पेचीदा है, जो नियमित प्रकाशिकी और कई यांत्रिक चरणों की आवश्यकता है, और इस प्रकार बहुत अनुसंधान प्रयोगशालाओं के लिए सस्ती है ।
Introduction
भूतल plasmon मध्यस्थता प्रतिदीप्ति (SPMF) काफी ध्यान हाल ही में प्राप्त किया है1,2,3,4,5,6. जब प्रकाश उत्सर्जक एक plasmonic प्रणाली के करीब निकटता में रखा जाता है, ऊर्जा उत्सर्जक और सतह plasmon polaritons (SPPs) के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है । सामांय में, मजबूत plasmonic क्षेत्रों दृढ़ता से2उत्सर्जक के उत्तेजना में वृद्धि कर सकते हैं । इसके साथ ही, SPPs द्वारा बनाए गए बड़े घनत्व वाले राज्यों की वजह से उत्सर्जन दर भी बढ़ जाती है, जो अच्छी तरह से ज्ञात Purcell प्रभाव3उपज है । इन दो प्रक्रियाओं SPMF उत्पादन में हाथ में हाथ काम करते हैं । के रूप में SPMF ठोस राज्य प्रकाश1,4, ऊर्जा संचयन5, और जैव पहचान6में कई आवेदनों को उत्तेजित किया है, यह गहन जांच के तहत वर्तमान में है । विशेष रूप से, SPPs से उत्सर्जकों के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर का ज्ञान और इसके विपरीत, यानी, उत्तेजना और युग्मन दरों, बहुत महत्व का है । हालांकि, उत्तेजना और उत्सर्जन प्रक्रियाओं को आम तौर पर एक साथ उलझ रहे हैं, इस पहलू पर अध्ययन अभी भी कमी है । उदाहरण के लिए, अध्ययन के सबसे केवल उत्तेजना क्षमता अनुपात है, जो बस के साथ और7SPPs बिना उत्सर्जन की तुलना का निर्धारण । उत्तेजना दर की सही माप अभी भी गायब है । दूसरी ओर, पारंपरिक समय हल तकनीक जैसे प्रतिदीप्ति लाइफटाइम स्पेक्ट्रोस्कोपी उत्सर्जन प्रक्रिया की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए नियमित रूप से इस्तेमाल कर रहे हैं, लेकिन वे कुल क्षय दर8से युग्मन दर अलग करने में असमर्थ हैं । यहां, हम वर्णन कैसे एक उंहें दर समीकरण मॉडल और लौकिक युग्मित मोड थ्योरी9,10के संयोजन के द्वारा निर्धारित कर सकते हैं । उल्लेखनीय है, हम पाते है कि उत्तेजना और युग्मन दरों को मापने योग्य मात्रा के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है, जो कोण प्रदर्शन और ध्रुवीकरण-हल भावना और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा पहुंचा जा सकता है । हम पहले निर्माण की रूपरेखा और फिर विस्तार में इंस्ट्रूमेंटेशन का वर्णन करेंगे । इस दृष्टिकोण पूरी तरह से आवृत्ति डोमेन आधारित है और यह किसी भी समय की आवश्यकता नहीं है-हल सामान जैसे अल्ट्रा-फास्ट पराबैंगनीकिरण और समय-संबंधित एकल-फोटॉन काउंटर, जो महंगे हैं और कभी-कभार8को कार्यान्वित करना मुश्किल है, 11. हम इस तकनीक की आशा है कि प्रकाश उत्सर्जक और गुंजयमान गुहाओं के बीच उत्तेजना और युग्मन दरों का निर्धारण करने के लिए एक सक्षम प्रौद्योगिकी हो ।
आवधिक प्रणालियों में SPMF यहां संक्षिप्त है । एक आवर्ती plasmonic प्रणाली के लिए जहां Bloch की तरह SPPs उत्पन्न किया जा सकता है, अन्य प्रत्यक्ष उत्तेजना और उत्सर्जन के अलावा, जो उत्तेजना दक्षता η और सहज उत्सर्जन दर Γआरकी विशेषता होती है, उत्सर्जक आने वाले SPPs से उत्तेजित हो सकते हैं और निवर्तमान SPPs के द्वारा क्षय । दूसरे शब्दों में, अनुनाद उत्तेजना के तहत, आवक SPPs मजबूत plasmonic क्षेत्रों बनाने के लिए उत्पन्न कर रहे हैं कि उत्सर्जक energizers. एक बार उत्सर्जक उत्तेजित हो जाते हैं, उनमें से ऊर्जा निवर्तमान SPPs, जो बाद में radiatively दूर करने के लिए अपव्यय को हस्तांतरित किया जा सकता है क्षेत्र, बढ़ाया उत्सर्जन को जंम दे रही है । वे SPMF को परिभाषित करते हैं । सरल दो स्तर उत्सर्जन के लिए, उत्तेजना जमीन से इलेक्ट्रॉनों की वृद्धि हुई संक्रमण को संदर्भित करता है उत्साहित राज्यों के लिए, जबकि उत्सर्जन भूमि राज्यों को वापस इलेक्ट्रॉनों के क्षय को परिभाषित, तरंग दैर्ध्य में फोटॉन उत्सर्जन के साथ उत्तेजित और जमीन राज्यों के बीच ऊर्जा के अंतर से । SPMF के लिए उत्तेजना और उत्सर्जन शर्तों को पूरा करने के लिए आवश्यक है प्रसिद्ध चरण मिलान समीकरण को उत्तेजित करने के लिए आने वाली और निवर्तमान SPPs9
1
जहां εए और εएम dielectrics के अचालक स्थिरांक होते हैं और मेटल, θ और φ हादसे होते हैं और azimuthal कोण होते हैं, P सरणी की अवधि होती है, λ उत्तेजना या उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य होता है, और m और n के क्रम को निर्दिष्ट करने वाले पूर्णांक होते हैं SPPs । उत्तेजना के लिए, लेजर बीम के विमान wavevector में डींग मारने के लिए आने वाली SPPs और θ और φ के साथ मैच गति बिखरे हुए एक साथ रोमांचक SPPs में इलेक्ट्रॉनिक अवशोषण को बढ़ाने के लिए निर्दिष्ट घटना विंयास परिभाषित उत्तेजना तरंगता λमाजी. इसी तरह, उत्सर्जन के लिए, निवर्तमान SPPs रिवर्स डींग प्रकाश लाइन और कोण अब उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य λउंहेंपर संभव उत्सर्जन चैनलों का प्रतिनिधित्व के साथ मैच बिखरे हुए होगा । हालांकि, यह उल्लेख किया है कि के रूप में उत्सर्जक कर सकते हैं अपनी ऊर्जा के साथ 
वैक्टर प्रचार SPPs कि एक ही परिमाण 
लेकिन अलग दिशाओं है, SPPs विभिन्न संयोजन के माध्यम से क्षय कर सकते हैं (एम, एन) के लिए दूर-क्षेत्र निम्नलिखित Eq. (1).
दर समीकरण मॉडल और लौकिक युग्मित मोड सिद्धांत (CMT) का उपयोग करके, हम पाते है कि उत्तेजना दर Γपूर्व, यानी, SPPs से उत्सर्जन करने के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर,9,12,13 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है
2
जहां η आने वाले SPPs के अभाव में aforementioned प्रत्यक्ष उत्तेजना दर है, Γमुन्ना आने वाले SPPs 
की कुल क्षय दर है जिसमें Γएबीएस और Γराड Ohmic के अवशोषण और विकीर्ण क्षय की दरें हैं, और 
के साथ और बिना आवक SPPs के photoluminescence शक्ति अनुपात है । दूसरी ओर, युग्मन दर Γसी, यानी, उत्सर्जकों से SPPs के लिए ऊर्जा हस्तांतरण दर, के रूप में लिखा जा सकता है:
3
जहां Γr प्रत्यक्ष उत्सर्जन दर 
है, αगु एसपीपी मध्यस्थता क्षय और प्रत्यक्ष बंदरगाहों के बीच photoluminescence शक्ति अनुपात है, और Γरेड α और Γमुन्ना αवें बंदरगाह के लिए विकीर्ण क्षय दर हैं और कुल क्षय दर । हम देखेंगे कि जबकि सभी एसपीपी क्षय दर भावना स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा मापा जा सकता है, उत्सर्जन शक्ति अनुपात photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा निर्धारित किया जा सकता है । योगों का ब्यौरा9,10संदर्भ में पाया जा सकता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल में, कई महत्वपूर्ण कदम हैं । पहला, यांत्रिक स्थिरता नमूना तैयारी में महत्वपूर्ण है । खड़े लॉयड सेटअप द्वारा उत्पंन तरंग दो रोशनी मुस्कराते हुए के बीच के चरण अंतर के प्रति संवेदनशील है । इस?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को चीनी विश्वविद्यालय हांगकांग द्वारा प्रत्यक्ष अनुदान ४०५३०७७ और ४४४११७९ के माध्यम से समर्थित किया गया, RGC प्रतियोगी निर्धारित अनुसंधान अनुदान, ४०२८१२ और १४३०४३१४, और एरिया ऑफ एक्सीलेंस AoE/पी-02/
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).
