Bestimmung der Erregung und Kupplung zwischen Lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Instrumentierung für die Bestimmung der Anregung und Kopplung zwischen lichtemittern und Bloch-ähnlichen Oberflächen Plasmon-Polaritonen periodische Arrays aus.

Zusammenfassung

Wir haben eine einzigartige Methode zur Messung der Anregung und Kupplung Preise zwischen lichtemittern und Oberflächen Plasmon Polaritonen (SPPs) aus metallischen periodische Arrays ohne Einbeziehung der Zeitaufgelösten Techniken entwickelt. Wir haben die Preise von Mengen formuliert, die von einfachen optischen Messungen gemessen werden kann. Die Instrumentierung basierend auf Winkel und Polarisation gelöst Reflektivität und Photolumineszenz-Spektroskopie werden hier ausführlich beschrieben. Unser Ansatz ist interessant wegen seiner Einfachheit, das erfordert Routine Optik und mechanischen mehrstufig und somit sehr erschwinglich für die meisten der Forschungslabore.

Einleitung

Surface Plasmon vermittelte Fluoreszenz (SPMF) hat beträchtliche Aufmerksamkeit erhielt vor kurzem^1,2,3,4,5,6. Wenn lichtemittern in unmittelbarer Nähe zu einem plasmonische System gestellt werden, kann Energie zwischen dem Emittenten und Oberflächen Plasmon Polaritonen (SPPs) übertragen werden. Im Allgemeinen können starke plasmonische Felder die Erregung der Emitter²stark verbessern. Zur gleichen Zeit wird die Emissionsrate auch wegen der großen Dichte-der-Staaten erstellt von SPPs, nachgeben der bekannten Purcell Effekt³erhöht. Diese beiden Prozesse arbeiten Hand in Hand bei der Herstellung der SPMF. Da SPMF hat zahlreiche Anwendungen in Solid-State Lighting^1,4, Energy harvesting-⁵und Bio-Erkennung⁶, angeregt wird es derzeit intensiv untersucht. Insbesondere das Wissen um die Energie-Übertragungsraten von der SPPs die Emittenten und umgekehrt, d. h. die Erregung und Kupplung Preise, ist von großer Bedeutung. Aber die Anregung und Emission Prozesse sind in der Regel zusammen verstrickt, Studie über diesen Aspekt fehlt noch. Zum Beispiel bestimmen die meisten Studien nur die Erregung Wirkungsgrad, die einfach die Emission mit und ohne SPPs⁷vergleicht. Die exakte Messung der Erregung Rate fehlt noch. Auf der anderen Seite Zeitaufgelösten konventionellen Techniken wie Fluoreszenz-Lebensdauer-Spektroskopie werden routinemäßig zur Untersuchung der Dynamik des Prozesses Emission verwendet, aber sie sind nicht in der Lage, die Kupplung Rate von der totalen Verfall Preis⁸zu trennen. Hier beschreiben wir, wie sie durch die Kombination der Gleichung Tarifmodell und den zeitlichen gekoppelten Modus Theorie^9,10bestimmt werden kann. Bemerkenswert ist, finden wir, dass die Erregung und Kupplung Preise in Bezug auf die messbaren Mengen ausgedrückt werden können, durch Winkel und Polarisation gelöst Reflektivität und Photolumineszenz-Spektroskopie zugegriffen werden kann. Wir werden zunächst skizzieren die Formulierung und dann die Instrumentierung im Detail zu beschreiben. Dieser Ansatz ist völlig Frequenzbereich basiert und es erfordert keine Zeitaufgelösten Zubehör wie ultraschnellen Laser und Zeit korreliert Single-Photon-Zähler, sind teuer und manchmal nur schwer umzusetzen^{8, 11}. rechnen wir mit dieser Technik, um eine Basistechnologie für die Bestimmung der Anregung und Kopplung zwischen lichtemittern und resonanten Hohlräume werden.

Die SPMF in periodische Systeme wird hier informiert. Für eine periodische plasmonische System wo Bloch-ähnliche SPPs erzeugt werden können, als direkte Anregung und Emission, die durch die Erregung Wirkungsgrad η und spontane Emission Rate Γ_Rgekennzeichnet sind, können die Emittenten von eingehenden SPPs begeistert sein und über ausgehende SPPs zerfallen. Das heißt, werden unter Resonanzanregung, eingehende SPPs generiert, um starke plasmonische Felder erstellen, die die Emittenten zu energetisieren. Sobald der Strahler begeistert sind, kann Energie aus ihnen auf ausgehende SPPs, die anschließend Strahlungs-, Fernfeld abführen, was zu verstärkten Ausstoß übertragen werden. Sie definieren SPMF. Für einfache zwei-Ebenen-Strahler bezieht sich die Erregung auf den erhöhten Übergang der Elektronen aus dem Boden um die angeregten Zustände während die Emission den Zerfall der Elektronen zurück in die Staaten von Boden, begleitet von Photonenemission bei definierten Wellenlängen definiert durch die Energiedifferenz zwischen den Staaten aufgeregten und Boden. Die Anregung und Emission Bedingungen für die SPMF sind erforderlich, um die bekannten Phase matching Gleichung, die eingehende und ausgehende SPPs⁹ begeistern zu erfüllen

(1)

wo ε_ein und ε_m sind die dielektrische Konstanten der Dielektrika und das Metall, θ und φ sind die einfallenden und azimutale Winkel P ist die Periode des Arrays, λ ist die Wellenlänge Erregung oder Emission und m und n sind die ganzen Zahlen die Reihenfolge der Angabe SPPs. Für Anregung, in der Ebene Wavevector des Laserstrahls werden Bragg in Schwung-Match mit den eingehenden SPPs zerstreut und θ und φ zusammen definieren die angegebene Vorfall Konfiguration für spannende SPPs zur Verbesserung der elektronischen Absorption bei der Erregung Wellenlänge λ_ab. Ebenso für die Emission werden die ausgehende SPPs umgekehrt Bragg verstreut um die Lichtlinie entsprechen und die Winkel jetzt die Kanäle möglich Emission bei der Emission Wellenlänge λ_Em. Allerdings ist anzumerken, dass wie die Emittenten ihre Energie an vektorielle verbreitende SPPs mit koppeln können , hat die gleiche Größe aber verschiedene Richtungen der SPPs können über verschiedene Kombination von (m, n), Fernfeld folgenden GL. (1) zerfallen.

Mithilfe der Gleichung Tarifmodell und zeitliche gekoppelten Modus Theorie (CMT), wir finden, dass die Erregung Rate Γ_ex, d. h. die Energie-Übertragungsrate von SPPs, Strahler, ausgedrückt werden kann, als^9,12,13

(2)

η die genannten direkten Anregung Rate in Ermangelung der eingehenden SPPs, Γ_Tot ist die totale Zerfallsrate von eingehenden SPPs in dem Γ_abs und Γ_rad die ohmschen Absorption und radiative Decay Rate der SPPs, sind und  ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis mit und ohne eingehende SPPs. Auf der anderen Seite kann die Kupplung Satz Γ_c, d. h. die Energie Übertragungsrate vom Emitter zum SPPs, als geschrieben werden:

(3)

wo Γ_R die direkte Emissionsrate ist ist die Photolumineszenz-Leistungs-Verhältnis zwischen dem α^th SPP vermittelte Zerfall und direkte Anschlüsse und Γ_rad^α und Γ_Tot sind die radiative Decay-Preise für den α-^th -Port und die Preise insgesamt Verfall. Wir werden sehen, dass während der SPP-Verfall-Preise von Reflektivität Spektroskopie gemessen werden können, die Emission-Leistungs-Verhältnis durch Photolumineszenz-Spektroskopie bestimmt werden kann. Details der Formulierungen finden Sie unter Referenz^9,10.

Protokoll

1. Setup der Interferenz Lithographie

Hinweis: Interferenz Lithographie wird verwendet, um die periodische Arrays¹²zu fabrizieren. Der schematische Aufbau ist wie in Abbildung 1dargestellt ist wie folgt aufgebaut:

1. Konzentrieren Sie sich die 325 nm Laser aus einem multimode HeCd-Laser, ein 13 X UV Objektiv und übergeben es durch eine Lochblende 50 μm räumliche Filter für Reinigung Modus basiert.
2. Legen Sie zwei 2,5 cm Durchmesser IRIS 30 cm auseinander um die Zentralregion der divergierenden Licht weiter zu filtern. Nach der zweiten Iris der Strahldurchmesser entspricht 2,5 cm und mit Abstand, die < 3 cm in 1 m Abstand von der zweiten Iris ist sehr langsam erhöht. Wird angenommen, dass das Licht fast kollimiert werden.
   Hinweis: Die Ausgabe von zweiten Iris sollte einheitlich bei bloßem Auge kontrolliert werden.
3. Steuern Sie den kollimierten Strahl auf ein Lloyd-Spiegel-Interferometer. Der Lloyd's-Setup enthält ein Prisma-basierte Probenhalter und eine 5,04 cm Spiegel positioniert senkrecht dazu. Die direkten und reflektierten Illuminationen bilden zusammen eine stabile stehende Welle entlang der Oberfläche der Probe für Musterung. Das Prisma fungiert als Antireflex-Gerät.
   Hinweis: Die Periode P der stehenden Welle kann als geschrieben werden: , wo λ = 325 nm und α ist der Einfallswinkel in Bezug auf Probe Normal, wie in Abbildung 1dargestellt ist. Der Einfallswinkel kann durch Drehen der Lloyd's-Setup eingestellt werden.

2. periodische Array Vorbereitung

Hinweis: Die Probe wird unter dem Standardverfahren empfohlen vom Hersteller vorbereitet. Alle Verfahren werden bei Raumtemperatur durchgeführt.

1. Verwenden Sie ein Glassubstrat 1 cm² . Reinigen Sie das Glas mit Methanol und Aceton für 10 min in ein Ultraschallbad und dann auf einer heißen Platte bei 200 ° C für 1 h um Schmutz zu entfernen Vorbacken.
2. Spin-Mantel das Glassubstrat mit einer 5 nm dicken Adhäsion Schicht und einer 100 nm Dicke negative SU-8 Fotolack mit einer Zweiklassen-Spin-Coater.
   1. Die SU-8 Fotolack mit Gamma-Butyrolacton in einem Verhältnis von 1:5 (V/V) zu verdünnen, so dass die Dicke nahezu 100 gesteuert werden kann nm nach Spin-Coating.
   2. 3-5 Tropfen (0,2 mL) Haftung-Lösung auf dem Glassubstrat und Spin bei 600 u/min für 10 s und 3600 u/min für 1 min, nacheinander zu verzichten.
   3. Wiederholen Sie Schritt 2.2.2 mit 5-7 (0,3 mL) Tropfen verdünnter SU-8 aus Schritt 2.2.1 mit der gleichen Geschwindigkeit.
      Hinweis: Die Adhäsion Schicht verbessert die Haftung zwischen dem Glassubstrat und den Fotolack, so dass der Fotolack während der Entwicklung nicht abziehen würde. Die Dicke der Schicht SU-8 wird durch die Konzentration und die Geschwindigkeit der Spin Coater gesteuert.
3. Die Probe auf 65 ° C und 95 ° C Kochplatten für 1 min Prebake. Öfen sind hier nicht zu empfehlen.
4. Übertragen Sie die Probe auf das Prisma in das Interferometer. Geben Sie einen Tropfen des Brechungsindex passende Öl (n = 1,45) die Probe auf das Prisma zu befestigen. Legen Sie es möglichst nahe an den Spiegel wie möglich.
   Hinweis: Die Probe ist auf Prismenoberfläche aufgrund der Oberflächenspannung des Öls beigefügt. Der Brechungsindex des Öls ist gewählt, um das gleiche wie Prisma und Glas Substrat zurück Reflexion von Störungen zu beseitigen.
5. Für einen zweidimensionalen quadratischen Gitter aussetzen der Stichprobe zweimal mit der gleichen Belichtungszeit aber orthogonale Richtungen; Das heißt, setzen Sie die Probe und drehen Sie ihn um 90° für die zweite Belichtung. Wenn der Fotolack ein 325 nm Licht ausgesetzt ist es vernetzt und kann nicht durch den SU-8 Entwickler aufgelöst werden.
   Hinweis: Der Durchmesser D des Arrays kann durch Anpassen der Belichtungszeit gesteuert werden.
6. Backen Sie hart die Probe bei 65 ° C und 95 ° C für 2 min Film Rissbildung zu verhindern.
7. Tauchen Sie die gesamte Probe im Entwickler für 2 min. unter ständigen rühren den unbelichteten Bereich aufzulösen.
8. Eintauchen der Probe in Isopropyl-Alkohol für 1 min die Residuen spülen und dann mit Druckluft trocknen. Ein Nanohole Array wird dann hergestellt.

3. gold Film Deposition und Lichtemitter Beschichtung

1. Legen Sie die Probe auf der Probenhalter für die Radio-Frequenz-Magnetron Sputtern Ablagerung System mit doppelseitigem Klebeband für Au Film Ablagerung.
2. Die Kammer, eine 2 x 10^-6 Torr Basisdruck mittels einer Turbomolekularpumpe Pumpe Abpumpen und dann wieder mit 6 x 10^-3 Torr ultrahohe Reinheit Ar Gas füllen.
3. Verwenden Sie ein 5 cm Durchmesser 99,9 % Au Ziel und legen Sie eine Verschlusszeit zwischen der Probe und dem Ziel. Nutzen Sie low-Power (50 W), um die Abscheiderate zu reduzieren sowie die Rauheit der Oberfläche. Mit dem Verschluss verschlossen Pre-sputter-das Ziel für 10 min um Schmutz zu entfernen.
4. Öffnen Sie den Auslöser, um die Abscheidung bei Raumtemperatur für 20 min zu verarbeiten. Eine Schichtdicke von 100 nm lagert sich regelmäßig um sicherzustellen, dass das plasmonische System optisch dick mit keine Übertragung ist.
5. Sobald die Probe bereit, Punkte Spin-Mantel die Licht emittierende Materialien wie organischen Farbstoffen oder Quanten auf der Metalloberfläche bilden eine dünne Schicht der Dielektrika.
   1. Lösen Sie für die Styryl 8 Farbstoff verwendet in der Referenz⁹20 µg von Styryl 8 und 500 µg Polymer Polyvinylalkohol (PVA) 5 mL Methanol auf.
   2. 3-5 Tropfen (0,2 mL) der Farbstofflösung auf die Probe zu verzichten und mit 600 u/min für 10 s und 3600 u/min für 1 min nacheinander drehen. Die Dicke wird geschätzt, dass 80 nm.
      Hinweis: Wasser lösliche oder unlösliche Polymer kann als Verankerungsmaterial abhängig von der Art des emittierenden Materials verwendet werden. Das Polymer sollte nicht emissiven jedoch so, dass es die Photolumineszenz-Messungen nicht stören würde. Polymer Polyvinylalkohol (PVA) wird empfohlen, zum Auflösen wasserlösliche Farbstoffe wie z. B. Rhodamin 6 G und Styryl 8.

4. Reflektivität Messungen zur Bestimmung der SPP-Decay-Tarife

Hinweis: Die Polarisation und Winkel gelöst Reflektivität Spektroskopie Setup ist in Abbildung 2dargestellt. Es besteht aus einem Goniometer mit drei Drehtische für selbständig ändern die Probe Ausrichtung (Stufe 1) sowie Erfassungswinkel (Stufe 2) und der Probe azimutalen Winkel (Stufe 3).

1. Verwenden Sie ein Breitband-weißes Licht aus einer Quarzlampe als Lichtquelle. Zunächst an einem multimode Faserbündel koppeln Sie an und dann lassen Sie es durch ein paar von kollinearen von Angesicht zu Angesicht Objektive (5 X und 60 X). Beleuchten Sie den Lichtstrahl auf die Probe in verschiedenen einfallenden Winkeln durch Ändern der Ausrichtung der Probe. Legen Sie ein paar Vorfall Polarisator und Analysator Erkennung, vor und nach der Probe für Polarisation abhängige Messungen.
   Hinweis: Die Ziele von Angesicht zu Angesicht fungieren als ein Linsensystem, das bündelt und erweitert die weiße Lichtquelle von der multimode-Faser.
2. Verwenden Sie eine multimode-Faser, um die spiegelnde Reflexion aus der Probe zu sammeln, die mit einem Spektrometer und ein CCD-Detektor für Spektroskopie verbunden ist.
3. Richten Sie das Setup sorgfältig, um sicherzustellen, dass die Orientierung Probentisch und Erkennung Drehtische sind konzentrische, dh., deren Drehachsen sind kollinear.
4. Kalibrieren Sie das Setup mit einem flachen Au Film. Messen Sie die Reflexion Spektren in verschiedenen einfallenden Winkeln zu und vergleichen sie mit den theoretischen Reflexion Spektren von Fresnel Gleichungen mit Hilfe einer bekannten Au dielektrischen Funktion berechnet. Die zwei Sätze von Daten sollte mit weniger als 5 % der Fehler übereinstimmen.
5. Sobald das Setup fertig ist, Messen Sie die linear polarisierte, p oder s, Reflexion Spektren der Probe in verschiedenen einfallenden Winkeln. Die Schrittweite der Auftreffwinkel beträgt 0,5 ° und die Wellenlänge Auflösung beträgt 0,66 nm. Um die Spektren unter mehreren einfallenden Winkeln zu sammeln, ist ein Steuerprogramm für Automatisierung, einschließlich mechanische Bewegung, Rollladensteuerung, Datenerfassung, Hintergrundabzug usw.geschrieben.
   Hinweis: Dieser Schritt ist rechnerisch durchgeführt. Das Programm ist auf Anfrage erhältlich. Bitte senden Sie eine e-Mail an den entsprechenden Autor für den Quellcode bei Bedarf.
6. Kontur zeichnen die Reflektivität vs. Wellenlänge und Vorfall Winkel um die Dispersion Relation des plasmonische Systems zur Identifizierung und Verfall tariffindung Modus zu erhalten.
   Hinweis: Die Probe azimutalen Winkel ist die Position in der Brillouin-Zone zu finden. Z. B. für quadratische Gitter Probe, drehen Sie die Probe azimuthally damit seine Zeiten die einfallende Ebene parallel gehört und Γ-X-Richtung definiert. Drehen Sie die Probe um 45° zum Definieren der Richtung Γ-M.
7. Wenn der Vorfall polarisiert bei 45° in Bezug auf die einfallende Ebene festgelegt ist und der Analysator bei-45 ist °, Messen Sie die orthogonal oder Kreuz-polarisiert, Reflektivität Zuordnung.
8. Extrahieren Sie die p-polarisierten und orthogonale Spiegelung Spektren zu und passen sie mithilfe von CMT^9,12,13, wie beschrieben in der Diskussion um den Zerfall der SPPs zu bestimmen.

5. Photolumineszenz Messungen zur Feststellung der Emissionen-Leistungs-Verhältnis

Hinweis: Die Winkel und Polarisation gelöst Photolumineszenz-Setup ist in Abbildung 3dargestellt.

1. Ersetzen Sie die Breitband-Lichtquelle mit 514 nm Argon-Ionen- oder 633 nm HeNe-Laser. Verwenden Sie ein Laser-Netzfilter mit voller Breite die Hälfte maximal (FWHM) weniger als 5 nm, reinigen Sie die Laser Spektral und setzen eine Halbwellen-Platte um den Polarisationszustand des Laserstrahls zu steuern. Das Goniometer und der Detektionseinheit bleiben unverändert. Legen Sie einen Notch-Filter vor der Detektionseinheit Laserlinie, entfernen, die die Lumineszenz vergräbt.
   Hinweis: Die Wellenlänge des Lasers hängt von der Art der emittierenden Materialien. Höhere Photonenenergie ist erforderlich, um das Material mit kürzeren Emissionswellenlänge begeistern.
2. Um die Emission-Leistungs-Verhältnis für GL. (2) & (3) zu messen, führen zwei Arten von Messungen: die Erkennung und Vorfall Scans. Das Zusammenspiel zwischen den Vorfall und Erkennung Scans bei der Bestimmung helfen , , , und .
3. Für den Vorfall Scan verändern sich ständig der Einfallswinkel aber Erfassungswinkel in Bezug auf die normale Probe zu beheben.
   Hinweis: Dieser Schritt ist rechnerisch durchgeführt. Diese Konfiguration regt gezielt die eingehenden SPPs, die Einfallswinkel abhängig, während die Variation der Emission unter der gewählten Erfassungswinkel Überwachung sind. Das heißt, erhöht die Emission, wenn der Einfallswinkel die Phase matching Gleichung in GL. (1) erfüllt.
   1. Kontur zeichnen die Photolumineszenz Spektren gegen Wellenlänge und der Einfallswinkel für die einfallenden Scan-Zuordnung. Die Zuordnungen für die verschiedenen Winkel zu messen, aber die relativen Intensitäten sind gleich gefunden. Daher der einfallende Scan Sonden die Wirkung von eingehenden SPPs auf die Emission oder einfach die Erregung-Erweiterung, die uns erlaubt, zu messen und .
4. Für die Erkennung Scan der Einfallswinkel in Bezug auf die normale Probe zu beheben, aber der Erfassungswinkel variieren.
   Hinweis: Dieser Schritt ist rechnerisch durchgeführt.
   1. In ähnlicher Weise Kontur plot die Photolumineszenz-Spektren mit Wellenlänge und Erkennung Winkel Erträgen die Erkennung Scannen zuordnen. Wie die SPP-Emission von Strahlung Dämpfung der SPPs entsteht, ist die Emission stark Erfassungswinkel angewiesen. Daher steigt die Emission unter konstanter Erregung, wenn der Erfassungswinkel GL. (1) erfüllt. Diese Konfiguration Sonden die Emission-Erweiterung und ermöglicht es uns, festzustellen, für unterschiedliche α^th bestellen, solange es gut definierte Erkennung Winkel Abhängigkeit hat.

Ergebnisse

Ein Beispiel für ein Au periodische Array wird im Einschub von Abbildung 4a⁸gegeben. Das Flugzeug-View SEM-Bild zeigt, dass die Probe ein 2D quadratische Gitter kreisloch Array mit einer Periode von 510 ist nm, eine Lochtiefe von 280 nm und einem Lochdurchmesser von 140 nm. Abbildung 4azeigt die p-polarisierten Reflektivität Zuordnung Γ-X-Richtung mitgenommen. Die gestrichelte Linie wird berechnet, inde...

Diskussion

In diesem Protokoll gibt es mehrere wichtige Schritte. Erste, mechanische Stabilität ist entscheidend bei der Probenvorbereitung. Die stehende Welle erzeugt durch Lloyds Setup reagiert empfindlich auf die Phasendifferenz zwischen zwei Beleuchtung Strahlen. Daher wird jegliche Schwingungen während der Belichtungszeit der Einheitlichkeit und Randschärfe der Nanohole beeinträchtigt. Es wird dringend empfohlen, beispielsweise in eine erschütterungsfrei Umgebung, z. B., eine optische Tisch mit Vibration Isolatio...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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