Détermination de l’Excitation et le couplage des taux entre émetteurs de lumière et de la Surface plasmons Polaritons

Résumé

Ce protocole décrit l’instrumentation pour la détermination de l’excitation et de tarifs entre émetteurs de lumière et de polaritons de plasmon de surface Bloch-comme découlant des tableaux périodiques de couplage.

Résumé

Nous avons développé une méthode unique pour mesurer l’excitation et le couplage des taux entre les émetteurs de lumière et la surface plasmons polaritons (SPPs) découlant des tableaux périodiques métalliques sans faire appel à des techniques de résolution temporelle. Nous avons formulé les tarifs par quantités qui peuvent être mesurées par simples mesures optiques. L’instrumentation basée sur la polarisation-résolue en angle et réflectivité et spectroscopie de photoluminescence décrira en détail ici. Notre approche est intéressante en raison de sa simplicité, qui exige l’optique systématique et plusieurs phases mécanique et est donc très abordable à la plupart des laboratoires de recherche.

Introduction

Plasmon de surface médiée par fluorescence (SPMF) a reçu beaucoup d’attention récemment^1,2,3,4,5,6. Lorsque les émetteurs de lumière sont placées à proximité d’un système plasmonique, énergie peut être transférée entre les émetteurs et les polaritons de surface plasmon (SPPs). En général, les forts champs plasmoniques peuvent augmenter fortement l’excitation des émetteurs². Dans le même temps, le taux d’émission est également augmenté en raison des densité d’États grands créés par RCR, produisant le célèbre Purcell effet³. Ces deux processus travaillent main dans la main en produisant le SPMF. SPMF a suscité de nombreuses applications dans l’éclairage à semi-conducteurs^1,4,⁵et⁶de bio-detection, la récolte l’énergie il est présentement sous enquête intensive. En particulier, la connaissance des taux de transfert énergétique de la RCR aux émetteurs et vice versa, par exemple, l’excitation et le taux de couplage est d’une grande importance. Toutefois, les processus d’excitation et d’émission sont généralement enchevêtrés ensemble, étude sur cet aspect fait encore défaut. Par exemple, la plupart des études seulement de déterminer le taux de rendement d’excitation, qui compare tout simplement l’émission avec ou sans RCR⁷. La mesure exacte du taux d’excitation est toujours porté disparue. En revanche, classiques résolution temporelle techniques telles que la spectroscopie de fluorescence lifetime sont couramment utilisés pour étudier la dynamique du processus d’émission, mais on ne peut séparer le taux de couplage de la désintégration totale tarifaire⁸. Nous décrivons ici comment on peut les déterminer en combinant le modèle d’équation de taux et le mode de couplage temporel théorie^9,10. Fait remarquable, nous trouvons que l’excitation et le taux de couplage peuvent être exprimées en termes de quantités mesurables, qui est accessible en effectuant la polarisation-résolue en angle et réflectivité et spectroscopie de photoluminescence. Nous avons tout d’abord décrira la formulation et puis décrire l’instrumentation en détail. Cette approche est tout à fait fréquentiel et il ne nécessite aucun accessoire résolue dans le temps comme les lasers ultra rapides et le temps-corrélé monophotonique compteurs qui sont coûteux et parfois difficile à mettre en œuvre^{8, 11}. nous prévoyons que cette technique pour être une technologie habilitante pour déterminer l’excitation et le couplage des taux entre émetteurs de lumière et de cavités résonnantes.

Le SPMF en systèmes périodiques est informé ici. Pour un système plasmonique périodique où Bloch-comme un RCR peut être généré, autre que l’excitation directe et l’émission, qui se caractérisent par l’excitation l’efficacité η et le taux d’émission spontanée, Γ_r, les émetteurs peuvent être excitées par RCR entrant et la carie par RCR sortant. En d’autres termes, sous l’excitation de la résonance, SPPs entrants sont générés pour créer de puissants champs plasmoniques que dynamiser les émetteurs. Une fois que les émetteurs sont excités, énergie d’eux peut être transféré à SPPs sortants, qui par la suite radiativement dissipent à champ lointain, donnant lieu à l’émission accrue. Ils définissent SPMF. Pour les émetteurs de deux niveaux simples, l’excitation renvoie à la transition accrue d’électrons entre le sol et les états excités alors que l’émission définit la désintégration des électrons vers les États fondamentaux, accompagnées d’une émission de photon aux longueurs d’onde définie par la différence d’énergie entre les états excités et de masse. Les conditions d’excitation et d’émission pour le SPMF sont nécessaires pour atteindre la phase connue correspondant à équation pour exciter les entrants et sortants SPPs⁹

(1)

où ε_un et ε_m sont les constantes diélectriques des diélectriques et le métal, θ et φ sont les angles incidents et azimutales, P est la période du tableau, λ est la longueur d’onde d’excitation et d’émission, et m et n sont des entiers spécifiant l’ordre de RCR. Pour l’excitation, le wavevector dans le plan du faisceau laser sera Bragg dispersés aux match momentum avec le RCR entrant et le θ et φ ensemble définissent la configuration spécifiée incidente pour excitant la RCR pour améliorer l’absorption électronique à la excitation d’onde λ_ex. De même, pour l’émission, le RCR sortant sera inversement Bragg dispersés pour correspondre avec la ligne claire et les angles représentent maintenant les canaux d’émission possible à l’émission d’onde λ_em. Toutefois, il est à noter que comme les émetteurs peuvent accrocher leur énergie à vectoriels SPPs multiplication avec qui a la même grandeur mais des directions différentes, la RCR peut se désintégrer par l’intermédiaire de diverses combinaisons de (m, n) à l’équation suivante champ lointain (1).

En utilisant le modèle d’équation de taux et de la théorie des modes couplés temporelle (CMT), nous trouver que l’excitation taux Γ_ex, c'est-à-dire, le taux de transfert d’énergie de RCR aux émetteurs, peut être exprimée en^9,12,13

(2)

où η est le taux susmentionnés excitation directe en l’absence de la RCR entrants, Γ_tot est le taux de désintégration totale de la RCR entrant dans lequel Γ_abs et Γ_rad sont l’absorption ohmique et taux de désexcitation radiative de RCR, et  est le ratio de puissance de photoluminescence avec et sans les SPPs entrants. En revanche, le couplage taux Γ_c, c'est-à-dire, le taux de transfert d’énergie des émetteurs à un RCR, peut être écrite comme :

(3)

où Γ_r est le taux d’émissions directes, est le ratio de puissance de photoluminescence entre α^th SPP médiée par désintégration et ports directe et Γ_rad^α et Γ_tot sont les tarifs de désexcitation radiative pour le port de^th α et le taux de décomposition totale. Nous allons voir que, alors que tous les taux de décroissance de PSP peuvent être mesurées par spectroscopie de réflectivité, le facteur de puissance d’émission peut être déterminé par spectroscopie de photoluminescence. Détails des formulations peuvent être trouvés dans référence^9,10.

Protocole

1. installation de la lithographie d’interférence

NOTE : Lithographie d’interférence est utilisée pour fabriquer les tableaux périodiques¹². La configuration schématique, comme le montre la Figure 1, est composée comme suit :

1. L’accent du 325 nm laser d’un laser multimode HeCd une 13 X UV lentille d’objectif et passe à travers un trou de 50 μm basée filtre spatial pour le mode de nettoyage.
2. Placez deux Iris de diamètre 2,5 cm 30 cm de distance pour filtrer davantage la région centrale de la lumière déviée. Après le deuxième iris, le diamètre du faisceau est égale à 2,5 cm et augmente très lentement avec la distance, qui est < 3 cm à 1 m de distance de l’iris de deuxième. La lumière est censée être collimatée près.
   Remarque : La sortie du deuxième iris doit être uniforme lorsque vérifié par l’oeil nu.
3. Orienter le faisceau collimaté à interféromètre miroir un Lloyd. Le programme d’installation de la Lloyd contient un porte-échantillon à base de prism et une perpendiculaire de miroir positionné de 5,04 cm à elle. Les illuminations directes et réfléchies ensemble créent une onde stationnaire stable le long de la surface de l’échantillon de structuration. Le prisme agit comme un dispositif antireflet.
   Remarque : La période P de l’onde stationnaire peut être écrit comme : , où λ = 325 nm et α est l’angle d’incidence en ce qui concerne l’échantillon normal, comme le montre la Figure 1. L’angle d’incidence peut être ajustée en tournant le programme d’installation de la Lloyd.

2. préparation du tableau périodiques

Remarque : L’échantillon est préparé conformément à la procédure standard, suggérée par le fabricant. Toutes les procédures sont effectuées à température ambiante.

1. Utiliser un substrat de verre de 1 cm² . Nettoyez la vitre avec du méthanol acétone pendant 10 min dans un bain ultrasonique chaque et ensuite pré cuis au four sur une plaque de cuisson à 200 ° C pendant 1 h enlever la saleté.
2. Spin-manteau du substrat de verre avec une couche d’adhérence épais nm 5 et un 100 nm épais négatif SU-8 photorésine avec un essorage bi-vitesse-coater.
   1. Diluer la résine SU-8 photosensible avec Gamma-Butyrolactone dans un rapport de 1:5 (v/v) pour que l’épaisseur peut être contrôlé à près de 100 nm après Enduction centrifuge.
   2. Déposer 3-5 gouttes (0,2 mL) de solution d’adhérence sur le substrat en verre et un essorage à 600 tr/min pendant 10 s et 3600 t/mn pendant 1 min, consécutivement.
   3. Répétez l’étape 2.2.2 avec 5-7 (0,3 mL) gouttes dilués SU-8 étape 2.2.1 à la même vitesse.
      Remarque : La couche d’adhérence améliore l’adhérence entre le substrat de verre et la résine photosensible, afin que la résine photosensible ne serait pas décoller au cours de l’élaboration. L’épaisseur de la couche de SU-8 est contrôlée par la concentration et la vitesse d’essorage-coater.
3. Précuites l’échantillon sur plaques de 65 ° C et 95 ° C pendant 1 min chaque. Fours ne sont pas recommandés ici.
4. Transférer l’échantillon dans le prisme de l’interféromètre. Ajouter une goutte d’indice de réfraction correspondant à huile (n = 1,45) pour fixer l’échantillon sur le prisme. Placez-le au plus près le miroir que possible.
   Remarque : L’échantillon est fixée sur la surface du prisme en raison de la tension superficielle de l’huile. L’indice de réfraction du pétrole est choisie pour être le même que le substrat "prism" et verre pour éliminer une réflexion arrière de l’interférence.
5. Pour un trellis carré bidimensionnel, exposer l’échantillon deux fois avec le même temps d’exposition mais les directions orthogonales ; autrement dit, exposer l’échantillon et puis il tourne de 90° pour la seconde exposition. Lorsque la résine photosensible est exposée à une lumière nm 325, il crosslinks et ne peut être dissous par le développeur de SU-8.
   NOTE : Le diamètre D du tableau peut être contrôlé en ajustant la durée d’exposition.
6. Dur, cuire au four de l’échantillon à 65 ° C et 95 ° C pendant 2 min afin d’empêcher le film fissuration.
7. Plonger l’ensemble de l’échantillon en développeur pendant 2 min avec agitation continue à dissoudre la zone non exposée.
8. Immergez l’échantillon dans l’alcool isopropylique pendant 1 min rincer les résidus et puis sécher à l’air comprimé. Un tableau de nanohole est alors produit.

3. or Film dépôts et le revêtement de l’émetteur de lumière

1. Fixer l’échantillon sur le porte-échantillon du magnétron radiofréquence pulvérisation système de dépôt avec ruban adhésif double-face pour les dépôts de films Au.
2. Pompe vers le bas de la chambre pour une 2 x 10^-6 Torr pression de base à l’aide d’une pompe turbomoléculaire et ensuite retour remplir avec 6 x 10^-3 Torr ultra ultra-purs gaz Ar.
3. Utiliser une cible d’UA de 99,9 % de diamètre 5 cm et placer un obturateur entre l’échantillon et la cible. Utiliser la puissance faible (50 W) pour réduire le taux de dépôt ainsi que la rugosité de la surface. Avec l’obturateur fermé, avant de bredouiller la cible pendant 10 min enlever la saleté.
4. Ouvrir l’obturateur pour traiter de déposition à température ambiante pendant 20 min. Une épaisseur de film de 100 nm est déposé régulièrement pour s’assurer que le système plasmonique est optiquement épais avec aucune transmission.
5. Une fois que l’échantillon est prêt, spin-manteau la lumière émettant des matériaux tels que colorants organiques ou quantique points sur la surface du métal pour former une couche mince de diélectriques.
   1. Pour la teinture de styryl 8 utilisée dans la référence⁹, dissoudre 20 µg de styryl 8 et 500 µg de polymère d’alcool polyvinylique (PVA) dans 5 mL de méthanol.
   2. Appliquer 3 à 5 gouttes (0,2 mL) de solution de colorant sur l’échantillon et tournent à 600 tr/min pendant 10 s et 3600 t/mn pendant 1 min consécutivement. L’épaisseur est estimée à 80 nm.
      Remarque : L’eau soluble ou insoluble polymère peut être utilisé comme ancrage matériel selon le type de matériau luminescent. Cependant, le polymère doit être non-émissif afin qu’il n’interférerait pas avec les mesures de photoluminescence. Polymère d’alcool polyvinylique (PVA) est recommandé pour dissoudre des colorants solubles dans l’eau comme la rhodamine 6 G et styryl 8.

4. réflectivité Mensurations pour déterminer la vitesse de décomposition de la SPP.

Remarque : L’installation résolu de polarisation et d’angle de spectroscopie de réflectivité est montrée dans la Figure 2. Il se compose d’un goniomètre avec trois étapes de rotation pour indépendamment de changer l’orientation de l’échantillon (phase 1) et angle de détection (étape 2) ainsi que l’angle azimutal de l’échantillon (étape 3).

1. Utilisez une lumière blanche à large bande par une lampe à quartz comme source lumineuse. Tout d’abord de le coupler à un faisceau de fibres multimodes et ensuite il collimater par une paire de lentilles colinéaires de face à face l’objectif (5 X et 60 X). Illuminer le faisceau sur l’échantillon à différents angles d’incidence en changeant l’orientation de l’échantillon. Placez une paire d’incident polariseur et l’analyseur de détection avant et après le prélèvement pour les mesures dépendant de la polarisation.
   Remarque : Les objectifs face à agissent comme un système de lentilles qui aligne et élargit la source de lumière blanche de la fibre multimode.
2. Utiliser une fibre multimode pour recueillir la réflexion spéculaire de l’échantillon, qui est relié à un spectromètre et un détecteur CCD pour la spectroscopie.
3. Aligner le programme d’installation avec soin pour s’assurer que l’étape d’orientation échantillon et étapes de rotation de détection sont concentriques, i.e., leur axe de rotation est colinéaires.
4. Calibrer l’installation avec un film Au plat. Mesurer les spectres de réflexion à différents angles d’incidence et de les comparer avec les spectres de réflexion théorique calculés par équations de Fresnel en utilisant une fonction connue de diélectrique Au. Les deux ensembles de données soient compatibles avec moins de 5 % d’erreur.
5. Lorsque l’installation est prête, mesurer linéairement polarisées, p ou s, les spectres de réflexion de l’échantillon à différents angles d’incidence. La taille du pas de l’angle d’incidence est de 0,5 ° et la résolution de longueur d’onde est de 0,66 nm. Pour collecter les spectres sous plusieurs angles d’incidence, un programme de contrôle est écrit pour l’automatisation, y compris le mouvement mécanique, commande de l’obturateur, d’acquisition de données, soustraction de fond, etc..
   Remarque : Cette étape est faite par le calcul. Le programme est disponible sur demande. S’il vous plaît envoyer un email à l’auteur correspondant pour obtenir le code source si nécessaire.
6. Contour terrain la réflectivité vs angle longueur d’onde et incident afin d’obtenir la relation de dispersion du système plasmonique pour détermination de mode d’identification et de la décomposition de taux.
   Remarque : L’angle azimutal de l’échantillon est de localiser la position dans la zone de Brillouin. Par exemple, pour l’échantillon de treillis carré, faites pivoter l’échantillon azimutale une de ses périodes est parallèle à la plane incidente et cela définit la direction de Γ-X. Tourner l’échantillon de 45° pour définir la direction de Γ-M.
7. Si l’incident polarisé est fixé à 45° par rapport au plan incident et l’analyseur est à-45 °, mesurer le mappage orthogonales ou polarisation croisée, réflectivité.
8. Extraire les spectres de réflexion polarisation p et orthogonaux et fixez-les à l’aide de CMT^9,12,13, comme décrit dans l’explication pour déterminer le taux de décomposition de RCR.

5. Photoluminescence mesures pour déterminer le facteur de puissance d’émission

Remarque : Le montage de photoluminescence résolue en angle et en polarisation est illustré à la Figure 3.

1. Remplacer la source lumineuse à large bande avec 514 ions d’argon nm ou par un laser HeNe 633 nm. Utilisez un filtre de ligne laser avec une pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) inférieure à 5 nm à nettoyer le laser spectralement et placer une plaque de demi-onde pour contrôler l’état de polarisation du faisceau laser. Le goniomètre et l’unité de détection restent inchangés. Placez un filtre avant de l’appareil de détection pour enlever la ligne laser, qui enterre la luminescence.
   Remarque : La longueur d’onde du laser dépend du type de matériaux électroluminescentes. Énergie de photon supérieure est nécessaire pour exciter le matériau avec la courte longueur d’onde d’émission.
2. Pour mesurer le facteur de puissance d’émission pour l’équation (2) et (3), procéder à deux types de mesures : les analyses de détection et d’incident. L’interaction entre l’incident et détection scans aident à déterminer , , , et .
3. Pour l’analyse de l’incident, varier l’angle d’incidence en continu mais fixer l’angle de détection en ce qui concerne l’échantillon normal.
   Remarque : Cette étape est faite par le calcul. Cette configuration excite sélectivement la RCR entrant, qui sont l’angle incident dépendant, tout en surveillant la variation de l’émission sous l’angle de détection choisi. En d’autres termes, l’émission augmente lorsque l’angle d’incidence remplit la phase correspondant à l’équation dans l’équation (1).
   1. Contour terrain les spectres de photoluminescence contre la longueur d’onde et l’angle d’incidence pour le mappage de l’incident de scan. Mesurer les mappages pour les angles de détection différentes mais les intensités relatives sont trouvées la même chose. Par conséquent, l’analyse des incident sondes l’effet des SPPs entrants sur l’émission ou tout simplement l’amélioration d’excitation, qui permet de mesurer et .
4. Pour l’analyse de détection, fixer l’angle d’incidence en ce qui concerne l’échantillon normal mais varier l’angle de détection.
   Remarque : Cette étape est faite par le calcul.
   1. De même, le contour tracé les spectres de photoluminescence avec longueur d’onde et la détection d’angle la détection scan cartographie des rendements. Comme l’émission SPP découle de l’amortissement de rayonnement de RCR, l’émission est fortement dépendant d’angle de détection. Par conséquent, sous excitation constante, l’émission augmente lorsque l’angle de détection remplit EQ. (1). Cette configuration l’augmentation des émissions des sondes et permet de déterminer α différent^th commandez aussi longtemps qu’elle a dépendance angle de détection bien définis.

Résultats

Un exemple d’un tableau périodique Au est donné dans l’encart de la Figure 4 a⁸. L’image d’affichage SEM plan montre que l’échantillon est un tableau de trou circulaire de treillis carré 2D avec une période de 510 nm, à une profondeur de trou de 280 nm et un diamètre de 140 nm. Le mappage de réflectivité polarisation p pris le long de la direction de Γ-X est illustré à la Figure 4 a. ...

Discussion

Dans ce protocole, il y a plusieurs étapes cruciales. Tout d’abord, mécanique stabilité est cruciale dans la préparation de l’échantillon. Les ondes stationnaires générées par le programme d’installation de Lloyd est sensible à la différence de phase entre deux faisceaux d’éclairage. Par conséquent, toute vibration pendant le temps d’exposition se dégradera l’uniformité et la netteté des bords de la nanohole. Il est fortement recommandé d’opérer dans un environnement exempt de vibrations, <...

matériels

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