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.

Engineering

Bestämning av magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och ytan Plasmon Polaritons

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

Det här protokollet beskriver instrumenteringen för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och Bloch-liknande ytan plasmon polaritons som härrör från periodiska matriser.

Abstract

Vi har utvecklat en unik metod för att mäta excitation och koppling priser mellan lätta sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs) som härrör från metalliska periodiska matriser utan medverkan av tid-löst tekniker. Vi har formulerat priserna av kvantiteter som kan mätas med enkla optiska mätningar. Instrumenteringen baserat på vinkel – och polarisering-löst reflektivitet och fotoluminescens spektroskopi kommer att beskrivas i detalj här. Vår strategi är spännande på grund av sin enkelhet, som kräver rutinmässig optik och flera mekaniska etapper, och således är mycket överkomligt för de flesta forskningslaboratorier.

Introduction

Ytan plasmon medierad fluorescens (SPMF) har fått stor uppmärksamhet nyligen¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶. När ljus sändare placeras i närheten av ett plasmoniska system, kan energi överföras mellan sändare och ytan plasmon polaritons (SPPs). De starka plasmoniska fält kan i allmänhet starkt förbättra magnetiseringen av sändare². Samtidigt ökar också andelen utsläpp på grund av de stora density-av-staternas skapad av SPPs, ger den välkända Purcell effekt³. Dessa två processer arbetar hand i hand i producerar SPMF. Som SPMF har stimulerat många tillämpningar i solid-state belysning¹^,⁴, Energisamlande⁵och bio-upptäckt⁶, är det för närvarande under intensiv undersökning. I synnerhet kunskapen om de energi överföringshastigheter från SPPs till sändarna och vice versa, dvs magnetiseringen och koppling priser, är av stor betydelse. Men de excitation och utsläpp processerna är vanligtvis insnärjda tillsammans, studie om denna aspekt saknas fortfarande. Till exempel, avgöra de flesta studier bara excitation effektivitet förhållandet, som helt enkelt jämför utsläppen med och utan SPPs⁷. Exakt mätning av andelen excitation saknas fortfarande. Å andra löst konventionella tid-tekniker såsom fluorescens livstid spektroskopi används rutinmässigt för att studera dynamiken i processen som utsläpp, men de är oförmögna att skilja andelen koppling från den totala decay rate⁸. Här beskriver vi hur man kan bestämma dem genom att kombinera hastighet ekvation modellen och den temporal kopplat läge teori⁹^,¹⁰. Anmärkningsvärt, finner vi att magnetiseringen och koppling priser kan uttryckas i form av mätbara storheter, som kan nås genom att utföra vinkel – och polarisering-löst reflektionsförmåga och fotoluminescens spektroskopi. Vi kommer först beskriva utformningen och sedan beskriva instrumenteringen i detalj. Detta synsätt är helt frekvens domän och det kräver inte någon tid-löst tillbehör som ultrasnabba lasrar och tid-korrelerade singel-photon räknare, vilket är dyrt och ibland svårt att genomföra⁸^, ¹¹. Vi räknar med denna teknik för att vara en möjliggörande teknik för att bestämma magnetiseringen och koppling mellan lätta sändare och resonant hålrum.

SPMF i periodiska system är informerade här. För en periodisk plasmoniska system där Bloch-liknande SPPs kan genereras, än direkt excitation och utsläpp, som kännetecknas av magnetiseringen effektivitet η och spontan emission rate Γ_r, sändarna kan vara upphetsad av inkommande SPPs och sönderfalla via utgående SPPs. Med andra ord, under resonans magnetisering genereras inkommande SPPs för att skapa starka plasmoniska fält att vitalisera sändarna. När sändarna är upphetsad, kan energi från dem överföras till utgående SPPs, som därefter radiatively försvinna till långt-fält, vilket ger upphov till ökat utsläpp. De definierar SPMF. För enkla två-nivå utsläppsländerna avser excitation ökad övergången av elektroner från marken till glada staterna medan utsläpp definierar förfalla av elektroner tillbaka till marken USA, tillsammans med photon emission vid våglängder som definieras av energiskillnaden mellan glada och marken. Excitation och utsläpp villkoren för SPMF är skyldiga att uppfylla den välkända fasen matchande ekvation att egga de inkommande och utgående SPPs⁹

(1)

där ε_en och ε_m är dielektrisk konstanter av dielektrika och metallen, θ och φ är incident och azimutala vinklarna, P är perioden av matrisen, λ är våglängden excitation eller utsläpp och m och n är de heltal som anger ordningen på SPPs. För magnetisering, blir den i-plane wavevector av laserstrålen Bragg utspridda till momentum match med de inkommande SPPs och de θ och φ grupp definierar den angivna händelsen konfigurationen för spännande i SPPs att förbättra den elektroniska absorptionen vid den magnetiseringen våglängd λ_ex. Likaså för utsläpp blir de utgående SPPs omvänt Bragg utspridda för att matcha med lätta linjen och vinklarna representerar nu de möjliga utsläpp kanalerna på utsläpp våglängd λ_em. Dock noteras att när sändarna kan par sin energi till vectorial förökningsmaterial SPPs med som har samma storleksordning men olika riktningar, SPPs kan sönderfalla och via olika kombination av (m, n) till långt-området följande ekv (1).

Med hjälp av ränta ekvation modell och temporal kopplat läge teori (CMT), vi tycker att den excitation rate Γ_ex, dvs energi överföringshastigheten från SPPs till sändare, kan uttryckas som⁹^,¹²^,¹³

(2)

där η är andelen ovannämnda direkta magnetiseringen i avsaknad av de inkommande SPPs, Γ_tot är andelen totala förfall de inkommande SPPs där Γ_abs och Γ_rad är ohmsk absorption och strålningstransport decay priser av SPPs, och är fotoluminescens makt förhållandet med och utan de inkommande SPPs. Däremot, kan den koppling rate Γ_c, dvs energi överföringshastigheten från sändare till SPPs, skrivas som:

(3)

där Γ_r är den direkta utsläpp frekvens är fotoluminescens makt förhållandet mellan α^th SPP medierad sönderfall och direkt hamnar och Γ_rad^α och Γ_tot de radiative decay priserna för α^th port och de totala förfall priserna. Vi kommer att se att medan alla SPP decay priserna kan mätas genom reflektionsförmåga spektroskopi, utsläpp makt förhållandet kan bestämmas av fotoluminescens spektroskopi. Detaljer av formuleringar kan hittas i referens⁹^,¹⁰.

Protocol

1. inställning av störningar litografi Obs: Störningar litografi används för att tillverka de periodiska matriser12. Den schematiska setup, byggs som visas i figur 1, upp enligt följande: Fokusera 325 nm laser från en HeCd multimode laser en 13 X UV objektiv och passera den genom en 50 μm pinhole baserad rumsliga filter för rengöring-läge. Placera två 2,5 cm diameter Iris 30 cm isär för att ytterligare filt…

Representative Results

Ett exempel på en Au periodiska array ges i infällt i figur 4a8. Plan Visa SEM bilden visar att provet är en 2D fyrkantig galler cirkulärt hål matris med en period i 510 nm, håldjup 280 nm och en håldiameter på 140 nm. P-polariserade reflektionsförmåga mappningen tagit längs Γ-X riktning visas i figur 4a. Dash raden beräknas genom den fasen matchande ekvation ekv (1) som anger att (m = -1, n =…

Discussion

I detta protokoll finns det flera kritiska steg. Första, mekanisk stabilitet är avgörande för provberedning. Den stående våg genereras av Lloyd’s setup är känslig fas skillnaden mellan två belysning balkar. Därför kommer att några vibrationer under exponeringstiden försämra enhetligheten och kantskärpa av nanohole. Det rekommenderas starkt att fungera i en vibrationsfri miljö, t.ex., en optisk bord med vibrationer isolering stöder. Hög effekt laser önskas dessutom också att minimera vibration…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna forskning stöddes av Chinese University of Hong Kong genom den direkta bidrag-4053077 och 4441179, RGC konkurrenskraftiga öronmärkta forskningsanslag, 402812 och 14304314, och området av Excellence 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

Cite This 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).