Bestemmelse af Excitation og kobling mellem lys udledere og overflade Plasmon Polaritons

Summary

Denne protokol beskriver instrumentering til bestemmelse af excitation og kobling mellem lys udledere og Bloch-lignende overflade plasmon polaritons som følge af periodiske arrays.

Abstract

Vi har udviklet en unik metode til at måle excitation og kobling priser mellem lys udledere og overflade plasmon polaritons (SPP’er) som følge af metallisk periodiske arrays uden at involvere tidsopløst teknikker. Vi har formuleret satserne af mængder, der kan måles ved simpel optiske målinger. Instrumenteringen baseret på løst vinkel og polarisering refleksivitet og fotoluminescens spektroskopi vil blive beskrevet i detaljer her. Vores tilgang er spændende på grund af sin enkelhed, som kræver rutine optik og flere mekaniske faser, og dermed er meget overkommelige for de fleste af forskningslaboratorier.

Introduction

Overflade plasmon medieret fluorescens (SPMF) har fået betydelig opmærksomhed for nylig^1,2,3,4,5,6. Når lys udledere er placeret i umiddelbar nærhed af et plasmonic system, kan energi overføres mellem udledere og overflade plasmon polaritons (SPP’er). Generelt, kan de stærke plasmonic felter kraftigt forbedre excitation af udledere². På samme tid, er emission også steget på grund af den store tæthed-af-stater lavet af SPP’er, giver den velkendte Purcell virkning³. Disse to processer arbejde hånd i hånd i producerer SPMF. Som SPMF har stimuleret talrige anvendelsesmuligheder i solid state belysning,^1,4, energi høst⁵og bio-påvisning⁶, er det i øjeblikket under intensiv efterforskning. Især viden om energi-overførselshastigheder fra SPP’er til udledere og vice versa, dvs., excitation og kobling satser, er af stor betydning. Men excitations- og processer er normalt viklet sammen, undersøgelse af dette aspekt mangler stadig. For eksempel, bestemme de fleste af undersøgelserne kun excitation effektivitet ratio, som simpelthen sammenligner emission med og uden SPP’er⁷. Den nøjagtige måling af excitation sats er stadig mangler. På den anden side tidsopløst konventionelle teknikker såsom fluorescens levetid spektroskopi bruges rutinemæssigt til at studere dynamikken i emission proces, men de er i stand til at adskille kobling sats fra den samlede henfald sats⁸. Her beskriver vi, hvordan man kan bestemme dem ved at kombinere hastighed ligningen modellen og tidsmæssige koblede tilstand teori^9,10. Bemærkelsesværdigt, finder vi, at excitation og kobling priser kan være udtrykt i målbare mængder, som kan tilgås ved at udføre vinkel – og polarisering-løst refleksivitet og fotoluminescens spektroskopi. Vi vil først skitsere af formulering og derefter beskrive instrumentation i detaljer. Denne tilgang er helt frekvens domæne baseret og det kræver ikke nogen tid-løst tilbehør såsom ultra-hurtig lasere og tid-korreleret enkelt-foton tællere, som er dyre og undertiden vanskeligt at gennemføre^{8, 11}. vi forventer denne teknik for at være en nødvendig teknologi for bestemmelse af excitation og kobling mellem lys udledere og resonant hulrum.

SPMF i periodiske systemer er orienteret her. For en periodisk plasmonic system, hvor Bloch-lignende SPP’er kan genereres, end direkte excitations og emissioner, som er karakteriseret ved excitation effektivitet η og spontane emission sats Γ_Rasmussen, udledere kan blive ophidset af indgående SPP’er og henfald via udgående SPP’er. Med andre ord under resonans excitation, er indgående SPP’er genereret for at skabe stærke plasmonic felter, at energize udledere. Når udledere er ophidset, kan energi fra dem overføres til udgående SPP’er, som efterfølgende radiatively sprede til langt-ager, giver anledning til øget emission. De definerer SPMF. For simpel to-niveau udledere refererer excitation til øget overgangen af elektroner fra jorden til de glade stater emission defineres henfald af elektroner tilbage til jorden stater, ledsaget af photon emission ved bølgelængder defineret af energi forskellen mellem glade og jorden. Excitations- og betingelserne for SPMF er forpligtet til at opfylde den velkendte fase matchende ligning at ophidse den indgående og udgående SPP’er⁹

(1)

hvor ε_en og ε_m er de dielektriske konstanter af dielectrics og metal, θ og φ er de indfaldende og azimutale vinkler, P er perioden af matrixen, λ er excitation eller emission bølgelængde, og m og n er de heltal, der angiver rækkefølgen af SPP’er. For excitation, i flyet wavevector af laserstrålen bliver Bragg spredt til momentum match med de indgående SPP’er og θ og φ sammen definere den angivne hændelse konfiguration for spændende SPP’er hen til forøge den elektroniske absorption på den excitation bølgelængde λ_ex. Ligeledes for emissionen bliver de afgående SPP’er omvendt Bragg spredt til at matche med linjen lys og vinkler udgør nu muligt emission kanaler på emission bølgelængde λ_em. Det skal imidlertid bemærkes, som udledere kan koble deres energi til vektorielt formeringsmaterialets SPP’er med der har samme størrelsesorden men forskellige retninger, SPP’er kan henfalde via forskellige kombination af (m, n) til langt-ager følgende Eq. (1).

Ved hjælp af sats ligning model og tidsmæssige koblede tilstand teori (CMT), vi finder, at excitation sats Γ_ex, dvs energi overførselshastigheden fra SPP’er til udledere, kan udtrykkes som^9,12,13

(2)

hvor η er den førnævnte direkte excitation sats i mangel af de indgående SPP’er, Γ_tot er den samlede henfaldet af de indgående SPP’er Γ_abs og Γ_rad er den ohmske absorption og radiative henfald satser af SPP’er, og  er fotoluminescens power forholdet med og uden de indgående SPP’er. På den anden side kan koblingen sats Γ_c, dvs energi overførselshastigheden fra udledere til SPP’er, skrives som:

(3)

hvor Γ_Rasmussen er den direkte emission sats, er fotoluminescens power forholdet mellem α^th SPP medieret forfald og direkte porte, og Γ_rad^α og Γ_tot er radiative henfald priser for havnens α^th og de samlede henfald priser. Vi vil se, at mens alle SPP henfald priser kan måles af refleksionsevne spektroskopi, magtforholdene emission kan bestemmes ved fotoluminescens spektroskopi. Nærmere oplysninger om formuleringer kan findes i henvisning^9,10.

Protocol

1. opsætning af interferens litografi Bemærk: Indblanding litografi bruges til at fabrikere de periodiske arrays12. Den skematiske setup, er som er vist i figur 1, opbygget som følger: Fokusere den 325 nm laser fra en HeCd multimode laser til en 13 X UV mål linse og pass det gennem en 50 μm pinhole baseret fysisk filter for rengøring-tilstand. Placer to 2,5 cm diameter iris 30 cm fra hinanden for at yderligere filt…

Representative Results

Et eksempel på en Au periodiske matrix er givet i figur 4a8justering. Fly se SEM billede viser, at prøven er en 2D firkantet gitter cirkelformet hul array med en periode på 510 nm, hul dybde 280 nm og en huldiameter på 140 nm. P-polariseret refleksionsevne kortlægning taget langs Γ-X retning er vist i figur 4a. Streg-linje beregnes af fase matchende ligning Eq. (1) angiver, at (m = -1, n = 0) SPP’er …

Discussion

I denne protokol er der flere kritiske trin. Første, mekanisk stabilitet er afgørende for prøveforberedelse. Stående bølge genereret af Lloyd’s setup er følsomme over for fase forskellen mellem to belysning bjælker. Derfor vil eventuelle vibrationer under eksponeringstiden nedbrydes ensartethed og kant skarphed af nanohole. Det anbefales stærkt at operere i et vibrationsfrit miljø, f.eks., en optisk tabel med vibration isolation understøtter. Desuden er høj effekt laser også ønskede at minimere vibr…

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