הנחישות של עירור, צימוד המחירים בין פולטי אור פלזמון משטח Polaritons

Summary

פרוטוקול זה מתאר את אינסטרומנטציה עבור קביעת את עירור ו צימוד המחירים בין פולטי אור פלזמון משטח דמוי בלוך polaritons הנובעים מערכים תקופתיים.

Abstract

פיתחנו שיטה ייחודית למדוד את עירור, צימוד המחירים בין פולטי אור פלזמון משטח polaritons (SPPs) הנובעים מערכים תקופתיים מתכתי מבלי לערב טכניקות זמן לפתור. לנו יש שניסח את המחירים על ידי כמויות זה נמדד על ידי מדידות אופטי פשוטה. ומכשור מבוסס על זווית, קיטוב-לפתור רפלקטיביות ספקטרוסקופיה פוטולומיניסנציה יתואר בהרחבה כאן. הגישה שלנו היא מסקרנת בשל פשטותו, אשר דורש אופטיקה שגרתית מספר שלבים מכני, ולכן הוא סביר מאוד לרוב מעבדות מחקר.

Introduction

פלזמון משטח מתווכת קרינה פלואורסצנטית (SPMF) קיבל תשומת לב רבה לאחרונה^1,2,3,4,5,6. כאשר פולטי אור ממוקמים בסמיכות למערכת plasmonic, ניתן להעביר אנרגיה בין פולטי פלזמון משטח polaritons (SPPs). באופן כללי, השדות plasmonic חזק חזק יכול לשפר את עירור של פולטי². במקביל, גדל שיעור פליטת גם בגלל גדול הצפיפות-של-המדינות שנוצרו על-ידי SPPs, מניב את אפקט ידוע פורסל³. תהליכים אלה שני עובדים יד ביד לייצר את SPMF. כפי SPMF יש גירוי יישומים רבים של מצב מוצק תאורה^1,4, קצירת⁵וביו-זיהוי⁶, אנרגיה זה כעת תחת חקירה אינטנסיבית. בפרט, הידע של קצב העברה אנרגיה של SPPs את הפולטים ולהיפך, קרי, עירור של צימוד המחירים, הוא בעל חשיבות רבה. אולם, תהליכי עירור, פליטה הם בדרך כלל מסובכת יחד, מחקר על היבט זה עדיין לוקה בחסר. לדוגמה, רוב המחקרים רק לקבוע את יחס יעילות עירור, אשר פשוט משווה הפליטה עם ובלי SPPs⁷. המדד המדויק של הקצב עירור היא עדיין נעדרת. מצד שני, קונבנציונאלי זמן לפתור טכניקות כגון קרינה פלואורסצנטית שלמים ספקטרוסקופיה משמשים באופן שגרתי ללמוד את הדינמיקה של התהליך פליטה, אבל הם לא מסוגלים להפריד את קצב צימוד קצב הריקבון הכולל⁸. כאן, אנו נתאר כיצד ניתן לקבוע אותם על-ידי שילוב מודל משוואת קצב טמפורלית מצב בשילוב תורת^9,10. למרבה הפלא, אנו מוצאים כי את עירור, צימוד המחירים ניתן לבטא כמויות מדידה, אליו ניתן לגשת על-ידי ביצוע פוטולומיניסנציה ספקטרוסקופיה רפלקטיביות זווית - ו קיטוב-נפתרה. אנו קודם חלוקה לרמות ניסוח, ואז לתאר את המכשור בפירוט. גישה זו היא לחלוטין תחום תדר מבוסס, הוא אינו דורש זמן לפתור אביזרים כגון לייזר אולטרה מהיר ומונים בקורלציה זמן פוטון בודד, אשר יקר וקשה לפעמים ליישם^{8, 11}. אנו צופים טכניקה זו להיות טכנולוגיה המאפשרת לקבוע את עירור, צימוד המחירים בין פולטי אור וחללים תהודה.

SPMF במערכות תקופתי הוא תדרכו כאן. עבור מערכת plasmonic תקופתי שבו בלוך כמו SPPs יכול להיווצר, מלבד עירור ישיר ופליטה, אשר מאופיינים על ידי עירור יעילות η ו Γ קצב פליטה ספונטנית_r, הפולטים יכול להיות שמחים על-ידי SPPs נכנסות, ריקבון ויה SPPs יוצאות. במילים אחרות, תחת עירור תהודה, SPPs נכנסות נוצרים כדי ליצור שדות plasmonic חזקה להמריץ את הפולטים. לאחר הפולטים נרגש, יכול להעביר אנרגיה מהם SPPs יוצאות, אשר לאחר מכן radiatively להתפזר רחוק-שדה, והוליד פליטה משופרת. הם מגדירים SPMF. עבור מקרן פשוט שתי רמות, עירור מתייחס למעבר מוגבר של אלקטרונים מהיסוד לארצות הברית נרגש ואילו הפליטה מגדיר את הדעיכה של אלקטרונים בחזרה אל הקרקע מדינות, בליווי פליטת פוטון באורכי גל מוגדר על ידי הפרש האנרגיה בין המדינות נלהב לבין הקרקע. תנאי עירור, פליטה SPMF נדרשים למלא את השלב ידועים התואמות משוואה לגרות את נכנסות ויוצאות SPPs⁹

(1)

איפה חדוה חדוה_ז הם הקבועים דיאלקטרי של דיאלקטרים את, המתכת θ באמצעות φ נמצאים הזוויות התקרית, azimuthal, P הוא התקופה של המערך, λ הוא אורך הגל עירור או פליטה, m ו- n הם מספרים שלמים המציין את סדר SPPs. עבור עירור, wavevector בתוך המטוס של קרן הלייזר תהיה בראג פזורות למשחק תנופה עם SPPs נכנסות, θ באמצעות של φ יחד להגדיר את תצורת התקרית שצוין עבור מרגש את SPPs כדי לשפר את הספיגה אלקטרוניים- עירור גל λ_לשעבר. כמו כן, עבור הפליטה, SPPs יוצאות יהיה reversely בראג מפוזרים כדי להתאים עם קו אור ולייצג הזוויות עכשיו הערוצים פליטה אפשרי-פליטה גל λ_em. עם זאת, הוא ציין שכאשר הפולטים יכול הזוג האנרגיה שלהם כדי וקטורי כציוד SPPs עם בעל גודל זהה , אבל בכיוונים שונים, SPPs יכול להירקב באמצעות שילוב שונים (m, n) כדי הציוד הבא רחוק-שדה (1).

באמצעות מודל משוואת קצב וטמפורלית מצב בשילוב תורת (CMT), נוכל למצוא זה את עירור קצב Γ_לשעבר, קרי, קצב ההעברה של אנרגיה מ SPPs כדי פולטי, ניתן לבטא^9,12,13

(2)

איפה η הקצב עירור ישירה הנ ל, בהעדר SPPs נכנסות, Γ_tot הוא קצב הדעיכה סך של SPPs נכנסות Γ_abs , Γ_ראד הם Ohmic הקליטה ואת הניוון קרינה של SPPs, ו  הוא היחס כוח פוטולומיניסנציה עם ובלי את SPPs נכנסות. מצד שני, צימוד קצב Γ_c, קרי, קצב ההעברה של האנרגיה של קרינת כדי SPPs, יכולה להיכתב כמו:

(3)

איפה Γ_r הוא קצב פליטה ישירה, הוא היחס כוח פוטולומיניסנציה בין α^תאנון SPP מתווכת דעיכה ויציאות ישירה, Γ_ראד^α וγ_tot נמצאות הניוון קרינה עבור יציאת^ה α הניוון הכולל. נראה כי בעוד כל SPP הניוון נמדד על ידי השתקפות ספקטרוסקופיה, היחס כוח פליטה יכול להיקבע על ידי ספקטרוסקופיה פוטולומיניסנציה. ניתן למצוא פרטים על ניסוחים הפניה^9,10.

Protocol

1. כיוונון של הפרעה ליתוגרפיה

הערה: הפרעה ליתוגרפיה משמש ליצור מערכים תקופתיים¹². הגדרת סכמטית, כפי שמוצג באיור 1, נבנית כדלקמן:

1. פוקוס על 325 ננומטר לייזר של לייזר כינוייהם HeCd 13 X UV המטרה עדשה, עוברים דרך הקדמוניות 50 μm מבוסס מסנן מרחבי עבור מצב ניקוי.
2. מקום שני קשתיות בקוטר 2.5 ס מ 30 ס מ אחד מהשני כדי לסנן האזור המרכזי של האור מתפצלים. לאחר איריס השני, הקוטר קרן שווה ל- 2.5 ס מ, עולה לאט מאוד עם המרחק, אשר < 3 ס"מ 1 מ' במרחק הקשתית השני. ההנחה האור היא כמעט להיות ממוקדת.
   הערה: הפלט של איריס השני צריך להיות אחיד כאשר נבדק על ידי עיניים בלתי מזוינת.
3. לנווט קרן מקבילות כדי מראה interferometer של לויד. ההתקנה של לויד מכיל בעל מדגם מבוסס-פריזמה בניצב מראה מוצבים ס"מ 5.04 אליו. האיורים ישירה ושיקפה יחד יוצרים גל עומד יציב לאורך פני מדגם המתבנת. המנסרה פועל מכשיר antireflection.
   הערה: תקופת P של גל עומד יכול להיכתב: , כאשר λ = 325 nm ו α הוא הזווית התקרית ביחס מדגם רגיל, כפי שמוצג באיור1. הזווית האירוע יהיה מכוון על ידי סיבוב ההתקנה של לויד.

2. הכנת מערך תקופתית

הערה: המדגם מוכן תחת הליך רגיל שהוצעה על ידי היצרן. כל ההליכים מתבצעים בטמפרטורת החדר.

1. השתמש מצע זכוכית² 1 ס מ. תנקה את הזכוכית עם מתנול, אצטון למשך 10 דקות כל באמבט אולטראסוני ואופים ואז מראש זה על פלטה חמה ב 200 ° C עבור h 1 כדי להסיר לכלוך.
2. ספין-המעיל המצע זכוכית עם שכבה עבה אדהזיה 5 nm ו של 100 ננומטר בעובי שלילי SU-8 photoresist עם שני-מהירות ספין-coater.
   1. לדלל את photoresist SU-8 עם גמא-ביוטרולקטון על יחס של 1:5 (v/v) כך העובי יכול להיות נשלט קרוב 100 ננומטר לאחר ציפוי ספין.
   2. לוותר על 3-5 טיפות (0.2 מ"ל) של פתרון אדהזיה על המצע זכוכית ו ספין ב 600 סל ד עבור 10 s ו 3600 סל"ד עבור 1 דקות, ברציפות.
   3. חזור על שלב 2.2.2 עם 5-7 טיפות (0.3 מ ל) של סו מדולל-8 מ שלב 2.2.1 באותה מהירות.
      הערה: השכבה אדהזיה משפר את הידבקות בין המצע זכוכית את photoresist כך photoresist ואינה מתקלפת במהלך פיתוח. עובי השכבה SU-8 נשלטת על ידי הריכוז ואת המהירות של ספין-coater.
3. Prebake המדגם על כיריים 65 ° C ו 95 ° C עבור 1 דקות כל אחד. תנורי פה ואינן מומלצות.
4. להעביר את הדגימה המנסרה ב interferometer. להוסיף טיפה של התאמת שמן מקדם שבירה (n = 1.45) כדי לצרף את הדגימה על המנסרה. למקם אותו כמה שיותר קרוב המראה ככל האפשר.
   הערה: המדגם מחובר על פריזמה השטח בשל מתח הפנים של השמן. מקדם שבירה של שמן נבחר להיות זהה המצע פריזמה וזכוכית לחסל את השתקפות בחזרה ההפרעה.
5. על סריג מרובע דו מימדי, לחשוף את הדגימה פעמיים עם חשיפה זמנית אבל הכוונה אורתוגונלית; לחשוף את הדגימה, ואז לסובב אותו 90 ° לחשיפה השני. כאשר אור ננומטר 325, חשופים photoresist זה crosslinks, לא יכול להיות מומס על-ידי המפתח SU-8.
   הערה: הקוטר D של המערך יכול להיות נשלט על ידי התאמת את זמן החשיפה.
6. קשה לאפות המדגם-65 ° C ו- 95 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות למנוע הסרט סדיקה.
7. לטבול המדגם כולו במפתח למשך 2 דקות עם עצבנות מתמדת כדי להמיס את האזור סמויה.
8. לטבול את הדגימה ב אלכוהול איזופרופיל עבור 1 דקות יש לשטוף את שאריות ולאחר מכן לייבש אותו עם אוויר דחוס. מערך nanohole מופק לאחר מכן.

3. זהב הסרט התצהיר, ציפוי פולט אור

1. לצרף את הדגימה מדגם האוחז המגנטרון תדר רדיו sputtering התצהיר המערכת עם סרט הדבקה דו-צדדי Au הסרט להפקדה.
2. לשאוב את החדר כדי 2 x 10^-6 טנדר של גוה של הבסיס לחץ באמצעות משאבה turbomolecular, ואז חזרה למלא אותו עם 6 x 10^-3 טנדר של גוה של טוהר גבוהה במיוחד Ar גז.
3. השימוש יעד Au 99.9% בקוטר 5 ס מ ומניחים תריס בין המדגם לבין המטרה. השתמש צריכת חשמל נמוכה (50 W) להקטין את קצב התצהיר וכן. החספוס פני השטח. עם צמצם סגור, להתיז מראש את המטרה 10 דקות להסיר לכלוך.
4. פתח את התריס כדי לעבד את התצהיר בטמפרטורת החדר במשך 20 דקות. עובי הסרט של 100 ננומטר מועבר באופן שגרתי על מנת להבטיח כי מערכת plasmonic שטיחות עבה עם שום שידור.
5. ברגע המדגם יהיה מוכן, ספין-קואט האור פליטת חומרים כגון צבעים אורגניים או קוונטית נקודות על פני השטח מתכת כדי ליצור שכבה דקה של דיאלקטרים.
   1. בשביל לצבוע styryl 8 בשימוש הפניה⁹, לפזר 20 µg של µg styryl 8 ו- 500 של פולימר פוליוויניל אלכוהול (PVA) ב 5 מ של מתנול.
   2. לוותר על 3-5 טיפות (0.2 מ"ל) של צבע פתרון על הדגימה, ספין ב 600 סל ד עבור 10 s ו 3600 סל"ד עבור 1 דקות ברציפות. העובי מוערך 80 ננומטר.
      הערה: פולימרים מסיסים או לא מסיסים במים יכול לשמש כחומר עגינת בהתאם לסוג החומר פולטות. אולם, הפולימר צריך להיות הלא-emissive כך שזה לא יפריע המידות פוטולומיניסנציה. פולימר פוליוויניל אלכוהול (PVA) מומלצת המסת צבע מסיס במים כגון rhodamine 6 G ו styryl 8.

4. השתקפות מדידות לקביעת קצב הניוון SPP

הערה: ההגדרה של קיטוב - ואת זווית-נפתרה ספקטרוסקופיה השתקפות מוצג באיור2. זה מורכב מד זווית עם שלושה שלבים סיבוב לשינוי באופן עצמאי את כיוון מדגם (שלב 1), זיהוי זווית (שלב 2), כמו גם הזווית azimuthal מדגם (שלב 3).

1. השתמש אור לבן פס רחב של מנורת קוורץ כמקור אור. תחילה כמה זה כדי צרור סיבי כינוייהם, אז collimate זה על-ידי זוג עדשות קוליניאריות המטרה פנים אל פנים (5 X ו- 60 X). יאיר אלומת האור על הדגימה בזוויות שונות האירוע על-ידי שינוי כיוון הדגימה. המקום זוג מקטב התקרית, מנתח זיהוי לפני ואחרי המדגם למדידות תלויי-קיטוב.
   הערה: מטרות פנים אל פנים לשמש מערכת עדשות collimates ומרחיבה את מקור האור הלבן של סיבים כינוייהם.
2. להשתמש בד כינוייהם כדי לאסוף את ראי מדגם, אשר מחובר ספקטרומטר, גלאי CCD עבור ספקטרוסקופיה.
3. יישר את הכיוונון בקפידה כדי להבטיח מדגם כיוון הבמה והן זיהוי הסיבוב שלבים הם קונצנטריים, כלומר., צירי הסיבוב שלהם הן קוליניאריות.
4. כיילו את ההתקנה עם סרט Au שטוח. למדוד את ספקטרום השתקפות בזוויות שונות התקרית ולהשוות אותם עם ספקטרום השתקפות התיאורטי המחושב על-ידי חוקי פרנל באמצעות פונקציית מבודד Au ידוע. שתי קבוצות של נתונים צריך להיות עקבי עם פחות מ- 5% של שגיאה.
5. לאחר ההתקנה יהיה מוכן, למדוד את מקוטב לינארית, p או s, ספקטרה השתקפות של המדגם בזוויות שונות התקרית. שלב גודל הזווית התקרית הוא 0.5° ואת הרזולוציה גל היא 0.66 ננומטר. כדי לאסוף את הספקטרום תחת מספר זוויות התקרית, תכנית נכתבה אוטומציה כולל תנועה מכנית, תריס בקרה, חדרי קירור והקפאה, רקע חיסור, וכו '.
   הערה: שלב זה מתבצע שהמפתחות. התוכנית הינו זמין על פי בקשה. אנא שלח דואר אלקטרוני אל המחבר המתאים עבור קוד המקור במידת הצורך.
6. מתאר להתוות את השתקפות לעומת גל וזווית תקרית כדי לקבל את יחס נפיצה של מערכת plasmonic לקביעת קצב זיהוי ודעיכה מצב.
   הערה: הזווית azimuthal מדגם זה כדי לאתר את המיקום באזור ברילואן. לדוגמה, עבור דגימה בסריג מרובע, לסובב את הדגימה azimuthally כך באחת התקופות מקבילים עם המטוס התקרית, אפשרות זו מגדירה את כיוון Γ-X. סיבוב המדגם ב- 45 מעלות כדי להגדיר את הכיוון Γ-M.
7. אם האירוע מקוטב מוגדר ב- 45 מעלות ביחס המטוס התקרית הוא ב-45 °, למדוד את המיפוי אורתוגונלית, או קרוס-מקוטב, השתקפות.
8. תמצית ספקטרום השתקפות מקוטב-p ו אורתוגונלית ובכושר אותם באמצעות CMT^9,12,13, כפי שמתואר בדיון לקביעת קצב הניוון של SPPs.

5. פוטולומיניסנציה מדידות לקביעת היחס כוח פליטה

הערה: ההתקנה פוטולומיניסנציה נפתרה זווית קיטוב מוצג באיור3.

1. החלף את מקור האור בפס רחב 514 nm ארגון יון או 633 ננומטר לייזר הנה. השתמש במסנן קו לייזר עם רוחב חצי מקסימום (FWHM) ופחות מ- 5 nm כדי לנקות את הלייזר spectrally ומניחים צלחת חצי-גל כדי לשלוט המדינה קיטוב של קרן הלייזר. את מד זווית ויחידת איתור נותרים ללא שינוי. המקום מסנן חריץ לפני יחידת זיהוי כדי להסיר קו לייזר, אשר קובר את הפריה חוץ גופית.
   הערה: אורך הגל של הלייזר תלוי בסוג של חומרים פולטות. אנרגיה פוטון גבוהה נדרשת כדי לרגש את החומר עם אורך גל קצר יותר של פליטה.
2. כדי למדוד את היחס בין הכוח פליטת עבור הציוד (2) & (3), לנהל שני סוגי מדידות: הסריקות לאיתור של האירוע. פעולת הגומלין בין הסריקות תקרית וזיהוי לסייע בקביעת , , , ו .
3. עבור הסריקה התקרית, משתנים ללא הרף את הזווית האירוע אבל לתקן את הזווית זיהוי לגבי המדגם נורמלי.
   הערה: שלב זה מתבצע שהמפתחות. תצורה זו בררני מרגש את SPPs נכנסות, אשר תלויים, תוך מעקב אחר הווריאציות של הפליטה מתחת הזווית שבחרת זיהוי האירוע זווית. במילים אחרות, הפליטה מגביר כאשר הזווית התקרית ממלא את שלב התואמות משוואה ב הציוד (1).
   1. מתאר להתוות ספקטרום פוטולומיניסנציה נגד גל ואת הזווית האירוע עבור המיפוי סריקה התקרית. למדוד את המיפויים עבור זיהוי שונים זוויות אבל עוצמות יחסית ניתן למצוא אותו. לכן, הסריקה התקרית רגשים השפעת SPPs נכנסות על הפליטה או פשוט של עירור שיפור, אשר מאפשר לנו למדוד את , .
4. עבור זיהוי הסריקה, לתקן את הזווית האירוע לגבי המדגם נורמלי אבל משתנה הזווית זיהוי.
   הערה: שלב זה מתבצע שהמפתחות.
   1. באופן דומה, מתאר להתוות ספקטרום פוטולומיניסנציה עם תשואות זווית גל וזיהוי הזיהוי לסרוק מיפוי. כפי הפליטה SPP נובע המתלים קרינה של SPPs, הפליטה הוא בחריפות זיהוי זווית התלויים. לכן, תחת עירור קבוע, הפליטה עולה. כאשר הזווית זיהוי ממלא הציוד (1). תצורה זו רגשים של שיפור פליטה ומאפשר לנו לקבוע עבור α שונים^th להזמין כל עוד יש לו תלות זווית זיהוי מוגדרים היטב.

תוצאות

דוגמה של מערך תקופתיים Au ניתנת לעיתים את שיבוץ של 4a איור⁸. תמונת תצוגה SEM המטוס מראה המדגם היא מערך חור עגול 2D סריג מרובע עם תקופה של 510 ננומטר, עומק החור של 280 ננומטר, קוטר החור של 140 ננומטר. המיפוי השתקפות מקוטב-p שצולמו לאורך כיוון Γ-X מוצג

Discussion

פרוטוקול זה, ישנם מספר שלבים קריטיים. ראשית, מכני יציבות חיוני בהכנת הדוגמא. גל עומד שנוצרו על-ידי תוכנית ההתקנה של לויד רגיש להבדל לשלב בין שתי הקורות תאורה. לכן, כל רטט בזמן חשיפה לבזות את אחידות וחדות הקצה nanohole. מומלץ לפעול סביבה ללא רטט, למשל, טבלת אופטי עם רטט תומך בידוד. בנוסף, לייזר...

Materials

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