Name: determination of the excitation and coupling rates between light emitters and surface plasmon polaritons
Uploaded: 2018-07-21T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 39 s
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この研究を通じて直接助成金 4053077 と 4441179、RGC 競争計上研究助成金、402812、14304314、香港の中国大学に支えられ地域の優秀 AoE/P-02/12。

1. 干渉リソグラフィのセットアップ
注: 干渉リソグラフィー、12周期配列を作製する使用されます。スケマティックのセットアップでは、図 1に示すように、構築されています、次のとおり。
<ol><li>13 X 紫外対物レンズ、50 μ m のピンホールを通してそれに基づいて空間フィルター クリーニング モードを渡す HeCd のマルチモード レーザーから 325 nm レーザーの焦点を当てます。</li>
	<li>中央領域の分岐の光をさらにフィルターする 2 つの 2.5 cm 径菖蒲 30 cm 離れてを配置します。2 つ目のアイリスの後ビーム径 2.5 cm、< 2 番目アイリスから 1 m の距離で 3 cm の距離で非常にゆっくりと増加します。光はほぼ平行すると見なされます。 注: 2 番目アイリスからの出力はオンに肉眼で均一なはずです。</li>
	<li>ロイドのミラー干渉計に平行光を導きます。ロイドのセットアップでは、プリズム ベースのサンプル ホルダーおよび 5.04 cm のミラー配置直交を含まれています。直接および反射光のイルミネーションは一緒にパターニングのため試料表面に沿って安定した定在波を作成します。プリズムは、反射防止デバイスとして機能します。 メモ: 定在波の周期 P として記述できる: <img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq9.jpg"> </img>、どこで λ = 325 nm と α はサンプル法線に対する入射角図 1に示すように。ロイドのセットアップを回転させることにより、入射角を調整できます。</li>
</ol>2. 周期的配列準備
注: サンプルは、製造元が推奨する標準的な手順で用意しています。すべての手順は、部屋の温度で行われます。
<ol><li>1 cm2のガラス基板を使用します。メタノールとアセトン超音波のお風呂に 10 分ずつのガラスをきれいにし、事前の汚れを除去する 1 h 200 ° c 鉄板焼きます。</li>
	<li>スピン コート 5 nm 厚の接着層を有するガラス基板と 100 nm 厚 SU 8 ネガホトレジスト 2 つ高速スピンコーターで。<ol>
<li>100 に近い厚さを制御することができますので、γ-ブチロラクトンの比が 1:5 (v/v) での SU 8 フォトレジストを希釈スピン コーティング後 nm。</li>
		<li>ガラス基板と 10 s の 600 rpm で 1 分、3600 rpm スピン接着ソリューションの 3-5 滴 (0.2 mL) を連続して調剤します。</li>
		<li>同じ速度でステップ 2.2.1 から希薄 SU 8 5 7 (0.3 mL) 滴 2.2.2 手順を繰り返します。 注意: 接着層は、フォトレジストが開発中に剥がれることがありませんので、ガラス基板と、フォトレジストの密着性を向上します。SU 8 層の厚さは、濃度とスピン コーターの速度によって制御されます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>1 分の 65 ° C と 95 ° C のホット プレートのサンプルを prebake します。オーブンがここで推奨されていません。</li>
	<li>サンプルをプリズム干渉計内に転送します。屈折率整合剤のドロップを追加 (n = 1.45) プリズムのサンプルを添付します。できるだけ鏡の近くに配置します。 注: オイルの表面張力によりプリズム面にサンプルが添付されます。油の屈折は、裏面反射による干渉の影響を除去するためにプリズムとガラス基板と同じように選択されます。</li>
	<li>二次元正方格子同じ露光時間が直交方向で 2 回サンプルを公開します。つまり、サンプルを公開、秒露光のために 90 ° 回転させます。フォトレジストが 325 nm の光にさらされてそれクロスリンクと SU 8 開発者により解散することはできません。 注: 配列の直径 D は、露出時間を調整することによって制御できます。</li>
	<li>ハード 65 ° C および 95 ° C フィルムの割れを防ぐために 2 分でサンプルを焼きます。</li>
	<li>非公開エリアを解消する連続撹拌と 2 分のための開発者にサンプル全体を浸します。</li>
	<li>イソプロピル アルコール残差を洗浄し、圧縮空気で乾燥し 1 分でサンプルを浸します。ナノホール配列して生成されます。</li>
</ol>3. 金膜の作製と発光体コーティング
<ol><li>高周波スパッタ蒸着を用いた Au 薄膜の両面テープのサンプル ホルダーにサンプルを添付します。</li>
	<li>ターボ分子ポンプを使用して 2 x 10-6 Torr 基本圧力チャンバーをポンプし、戻って 6 × 10-3 Torr 超高純度 Ar ガスで塗りつぶします。</li>
	<li>5 cm 径の 99.9 %au ターゲットを使用し、試料とターゲット間シャッターを配置します。低消費電力 (50 W) を使用して、表面の粗さだけでなく、成膜速度を削減します。シャッターを閉じた状態、汚れを除去する 10 分間ターゲットをスパッタ済み。</li>
	<li>20 分間常温スパッタの処理にシャッターを開きます。膜厚 100 nm 定期的にプラズモニック システムの伝送がない光学的厚さを確実に入金されます。</li>
	<li>サンプルが準備ができていると、誘電体の薄膜層を形成する金属の表面に発光有機染料など量子材料スピン コート ドットします。<ol>
<li>9参照で使用される 8 の styryl の染料、メタノール 5 mL でポリビニル アルコール (PVA) のスチリル 8、500 μ g の 20 μ g を解散します。</li>
		<li>サンプルで色素溶液の 3-5 滴 (0.2 mL) を省略し、連続して 10 秒 600 rpm で 1 分 3600 rpm スピンします。厚さと推定される 80 nm。 注: 水可溶性または不溶性高分子発光材料の種類に応じて固定材として使用できます。ただし、フォトルミネッ センス測定を妨げることはありませんので、ポリマーを非発光にする必要があります。ポリビニル アルコール (PVA) 高分子水溶性染料ローダミン 6 G などとスチリル 8 を溶解するため勧めします。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. SPP の減衰率を決定するため反射率測定
注: 反射率分光偏光および角度分解セットアップは、図 2に示すです。サンプルの向き (ステージ 1) 検出角度 (ステージ 2) とサンプルの方位角 (ステージ 3) を個別に変更する 3 つの回転の段階で計で構成されています。
<ol><li>石英ランプから広帯域白色光を光源として使用します。まずマルチモード光ファイバー ・ バンドルにそれをつなぐし、対面の対物レンズ (5 X、60 X) は同一線上のペアでコリメートします。サンプルの向きを変更することによって様々 な入射角度でサンプルの光線を照らします。偏光測定用サンプルの前後には、入射偏光板と検出アナライザーのペアを配置します。 注: 直面する目標は平行し、マルチモードの光ファイバーから白色光源を拡大レンズ システムとして機能します。</li>
	<li>マルチモード光ファイバーを使用する分光計、分光計測用 CCD 検出器に接続されているサンプルから鏡面反射を収集します。</li>
	<li>同心円、サンプル オリエンテーションの段階と検出回転ステージの両方を確実に慎重にセットアップを合わせてすなわち。、彼らの回転の軸が同一線上にあります。</li>
	<li>フラット Au フィルムを使用してセットアップを調整します。様々 な入射角度で反射スペクトルを測定し、知られている Au の誘電関数を用いたフレネル方程式によって計算された理論的な反射スペクトルとの比較を。2 組のデータはエラーの 5% 未満と一致する必要があります。</li>
	<li>セットアップが準備ができて、偏光、p または s、入射角度をサンプルの反射スペクトルを測定します。入射角のステップ サイズは 0.5 °、波長分解能 0.66 nm。複数の入射角度の下でスペクトルを収集、機械運動、シャッター制御、データ集録、背景差分などを含むオートメーションの制御プログラムが書き込まれます。 注: この手順は計算上行われます。プログラムはリクエストを承ります。必要な場合は、ソース コードの対応する著者にメールを送ってください。</li>
	<li>輪郭は、プラズモニック モード同定および減衰率の決定システムの分散関係を取得する波長及び入射角度と反射率をプロットします。 注: サンプルの方位角はブリュアン ゾーン内の位置を見つけることです。たとえば、正方格子サンプル回転サンプル アジマス、その期間のいずれかが入射面に平行し、これは Γ X 方向を定義します。サンプルを Γ M 方向を定義する 45 ° 回転します。</li>
	<li>偏光事件は入射面に対して 45 ° に設定されていて、アナライザーは-45 ° 直交性または交差偏光反射マッピングを測定します。</li>
	<li>P 偏光、直交の反射スペクトルを抽出し、前述の Spp の減衰レートを決定する議論で CMT9,12,13を使用してそれらに合います。</li>
</ol>5. 蛍光計測による排出量電力比を決定します。
注: 角度と偏光発光のセットアップは図 3に示すです。
<ol><li>514 nm アルゴン イオンや 633 nm HeNe レーザーの広帯域光源を交換してください。レーザー ライン フィルターを使用し、半値幅 (半値幅) 5 未満 nm スペクトル レーザーをきれいにし、レーザー光の偏光状態を制御する半波長板を配置します。ゴニオメータと検出ユニットは変更されません。検出ユニット埋め発光レーザーの行を削除する前にノッチ フィルターを配置します。 注: レーザーの波長は、発光材料の種類によって異なります。高い光子エネルギーは、短い波長をもつ物質を励起する必要があります。</li>
	<li>式 (2) 及び (3) 排出量電力比を測定する 2 つのタイプの計測を行う: 検出および事件のスキャン。事件および検出のスキャン間の相互作用を決定する際に支援<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq10.jpg">、 <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq11.jpg"> </img>、<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq12.jpg">と<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq13.jpg">。</li>
	<li>インシデントのスキャンでは、入射角を連続的に変化が、通常のサンプルに対して検出角度を修正します。 注: この手順は計算上行われます。この構成には、入射角度依存選択した検出角度の下で排出量の変化を監視しながら、着信の Spp 選択的に興奮させます。つまり、入射角は式 (1) の式に一致する段階を満たす排出量が増加します。<ol>
<li>輪郭は、波長および入射スキャン マッピングの入射角度に対する発光スペクトルをプロットします。測定別検出角度のマッピングが、相対強度が同じあります。したがって、インシデントのスキャン プローブ放出または測定することができます励起増強だけで着信の Spp の効果<img alt="Equation 10" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq10.jpg">、 <img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq11.jpg"> </img>。</li>
	</ol>
</li>
	<li>検出スキャン通常のサンプルに対して入射角を修正する、検出角度を変えます。 注: この手順は計算上行われます。<ol>
<li>同様に、輪郭検出スキャン マッピング波長と検出角度の利回りとフォトルミネッ センス スペクトルをプロットします。SPP 排出は Spp の放射減衰に起因、放出は強く検出角度依存です。したがって、一定の励起下で検出角度は, 式 (1) を満たすときに排出量が増加します。この構成はプローブの発光増強し決定することができます<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq12.jpg">異なる α回注文明確に定義された検出角度依存性であり。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Okamoto, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-plasmon-enhanced+light+emitters+based+on+InGaN+quantum+wells.">Surface-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells.</a> Nature Materials. 3 (9), 601-605 (2004).</li><li>Akselrod, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leveraging+Nanocavity+Harmonics+for+Control+of+Optical+Processes+in+2D+Semiconductors.">Leveraging Nanocavity Harmonics for Control of Optical Processes in 2D Semiconductors.</a> Nano Letters. 15 (5), 3578-3584 (2015).</li><li>Gontijo, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupling+of+InGaN+quantum-well+photoluminescence+to+silver+surface+plasmons.">Coupling of InGaN quantum-well photoluminescence to silver surface plasmons.</a> Physical Review B. 60 (16), 11564 (1999).</li><li>Huang, K. C. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antenna+electrodes+for+controlling+electroluminescence.">Antenna electrodes for controlling electroluminescence.</a> Nature Communications. 3, 1005 (2012).</li><li>Atwater, H. A., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasmonics+for+improved+photovoltaic+devices.">Plasmonics for improved photovoltaic devices.</a> Nature Materials. 9 (3), 205-213 (2010).</li><li>Anker, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biosensing+with+plasmonic+nanosensors.">Biosensing with plasmonic nanosensors.</a> Nature Materials. 7 (6), 442-453 (2008).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitation+enhancement+of+CdSe+quantum+dots+by+single+metal+nanoparticles.">Excitation enhancement of CdSe quantum dots by single metal nanoparticles.</a> Applied Physics Letters. 93 (5), 053106 (2008).</li><li>Birowosuto, M. D., Skipetrov, S. E., Vos, W. L., Mosk, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Observation+of+Spatial+Fluctuations+of+the+Local+Density+of+States+in+Random+Photonic+Media.">Observation of Spatial Fluctuations of the Local Density of States in Random Photonic Media.</a> Physical Review Letters. 105 (1), 013904 (2010).</li><li>Cao, Z. L., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+coupling+rate+of+light+emitter+to+surface+plasmon+polaritons+supported+on+nanohole+array.">Determination of coupling rate of light emitter to surface plasmon polaritons supported on nanohole array.</a> Applied Physics Letters. 102 (24), 241109 (2013).</li><li>Lin, M., Cao, Z. L., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+excitation+rate+of+quantum+dots+mediated+by+momentum-resolved+Bloch-like+surface+plasmon+polaritons.">Determination of the excitation rate of quantum dots mediated by momentum-resolved Bloch-like surface plasmon polaritons.</a> Optics Express. 25 (6), 6029-6103 (2017).</li><li>Nikolaev, I. S., Lodahl, P., Driel, A. F. V., Koenderink, A. F., Vos, W. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strongly+nonexponential+time-resolved+fluorescence+of+quantum-dot+ensembles+in+three-dimensional+photonic+crystals.">Strongly nonexponential time-resolved fluorescence of quantum-dot ensembles in three-dimensional photonic crystals.</a> Physical Review B. 75 (11), 115302 (2007).</li><li>Cao, Z. L., Lo, H. Y., Ong, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+absorption+and+radiative+decay+rates+of+surface+plasmon+polaritons+from+nanohole+array.">Determination of absorption and radiative decay rates of surface plasmon polaritons from nanohole array.</a> Optics Letters. 37 (24), 5166-5168 (2012).</li><li>Haus, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Waves and Fields in Optoelectronics. , (1984).</li></ol>

著者は、彼らは競合する金銭的な利益があることを宣言します。

このプロトコルでは、いくつかの重要な手順があります。最初、機械安定性は試料調製で重要です。ロイドのセットアップによって生成される定在波は、2 つの照明ビームの位相差に敏感です。したがって、均一性とエッジのシャープネス、ナノホールの露出時間の間に任意の振動が低下します。振動のない環境、例えば、振動分離のサポートを持つ光学テーブルで動作するを強くお?...

表面プラズモンを介した蛍光 (SPMF) は、かなり注目を集めている最近1,2,3,4,5,6。プラズモニック システムに近接、発光素子を配置しているとき、エミッタ表面プラズモンポラリトン (Spp) とエネルギーを転送できます。一般に、強いプラズモニック フィールド強くエミッター2の励起を高めることができます。同時に、放散速度も状態になるため、大きな密度-の - Spp は、よく知られているパーセル効果3の降伏によって作成された増加します。これらの 2 つのプロセスは、SPMF の生産で手に手を動作します。ソリッドステート照明1,45、およびバイオ検出6発電で多数のアプリケーションを刺激して SPMF だは現在集中的な調査の下で。特に、エネルギー転送レート、Spp エミッタと逆、すなわちとの知識励起とカップリング率は非常に重要なのです。しかし、刺激および放出プロセスは通常一緒に巻き込ま、この面での研究はまだ欠けています。たとえば、研究のほとんどは、Spp7と排出量を単純に比較励起効率の比率を決めるだけです。励起率の正確な測定は依然行方不明です。その一方で、従来時間分解蛍光寿命分光法などの技術は、日常的に発光過程のダイナミクスを研究するため使用が、彼らは総崩壊率8からカップリング率を分けることができません。ここでは、我々 はレート方程式モデルと時空間結合モード理論9,10を組み合わせることによってそれらを決定できる方法について説明します。驚くことに、励起と結合率を測定可能な数量、角度と偏光反射率およびフォトルミネッ センス分光法を実行することによってアクセスすることができます表現できることがわかります。まず定式化の概要を説明、その後、詳細にインストルメンテーションを記述します。このアプローチは完全に周波数ドメイン ベースし、超高速レーザーと時間相関単一光子カウンターは、高価で、8、の実装が難しい場合など時間分解付属品を必要としません。11. 励起の決定と結合発光と空洞共振器間のレートの実現技術をするためにこの手法を見込んでいます。
周期系における SPMF は、ここで説明しました。直接励起と放射励起効率 η と自然放出率 Γrによって特徴付けられる以外、ブロッホのような Spp を生成ことができます定期的なプラズモニック システムの受信 Spp でエミッタを励起できることと発信 Spp を介して崩壊します。つまり、共鳴励起下における受信 Spp がエミッタを活性化する強力なプラズモニック フィールドを作成する生成されます。エミッタは、興奮している、強化された排出ガスを生じその後 - 遠方に放散放射活性、発信 Spp に彼らからエネルギーを移すことができます。SPMF を定義します。シンプルな 2 段エミッタの励起移行を参照増加電子の励起状態に地面から放出電子の減衰を定義します定義の波長で発光を伴う基底状態に戻るに対しによって興奮と基底状態のエネルギー差。SPMF の励起と放射条件が着信および発信の Spp9を励起するための方程式に一致するよく知られている段階を満たすために必要です
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq1.jpg">(1)
どこ ε、 εm誘電体と金属の誘電 θ と φ は入射角および方位角 P は配列の周期、λ は波長励起及び蛍光の波長、m と n の順序を指定する整数です。Spp。励起レーザー光の平面波ブラッグ散乱着信 Spp と勢いの試合となります θ と φ 一緒に定義で電子の吸収を高めるために Spp を励振するため指定されたインシデント構成、励起波長 λex。同様に、発光し、発信の Spp なります反対ブラッグ散乱光の線と一致するように、角度を表すように、発光波長 λem可能な発光チャンネル。しかし、それは注意がエミッタできる彼らのエネルギーと伝搬ベクトルの Spp にカップルとして<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq2.jpg">同じ大きさを持っている<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq3.jpg">が、別の方向に、Spp 遠方次式 (1) を (m, n) の様々 な組み合わせで崩壊します。
レート方程式モデルと時空間モード結合理論 (CMT) を使用して、我々 は、励起率 Γex、すなわちエミッタに Spp からエネルギー転送レートを見つける、9,12,13として表現することができます。
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq4.jpg">(2)
Γトットは着信の Spp の総減衰率 η が着信の Spp の不在で前述の直接励起率は、 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq5.jpg"> Γabsと Γradいるオームの吸収と放射減衰率 Spp と<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq6.jpg">受信の Spp と発光力比率です。その一方で、カップリング率 Γcは、すなわち、エネルギー転送の速度をエミッタから Spp として記述できます。
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq7.jpg">(3)
Γrが直接放射率<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq8.jpg">発光の電力比は、α回SPP 媒介崩壊、直接ポート、Γradαと Γtot α回ポートの放射減衰率総崩壊率。すべての SPP の減衰率は、反射率分光法による測定が可能は、フォトルミネッ センス分光法による排出量電力比を決定できますが表示されます。参照9,10製剤の詳細を見つけることができます。

<table><tbody><tr><td>SU-8</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2000.5</td><td></td></tr><tr><td>Adhesion solution</td><td>MicroChem</td><td>Omnicoat</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Thinner (Gamma-Butyrolactone)</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 2000 Thinner</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer</td><td>MicroChem</td><td>SU-8 Developer</td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Chemat Technology</td><td>KW-4A</td><td></td></tr><tr><td>HeCd laser</td><td>KIMMON KOHA CO., LTd</td><td>IK3552R-G</td><td></td></tr><tr><td>Shutter</td><td>Thorlabs</td><td>SH05</td><td></td></tr><tr><td>Objective for sample preparation</td><td>Newport</td><td>U-13X</td><td></td></tr><tr><td>Pinhole</td><td>Newport</td><td>PNH-50</td><td></td></tr><tr><td>Iris</td><td>Newport</td><td>M-DI47.50</td><td></td></tr><tr><td>Prism</td><td>Thorlabs</td><td>PS611</td><td></td></tr><tr><td>Rotation stage for sample preparation</td><td>Newport</td><td>481-A</td><td></td></tr><tr><td>Supttering Deposition System</td><td>Homemade</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotation Stage 1</td><td>Newport</td><td>URM80ACC</td><td></td></tr><tr><td>Rotation Stage 2</td><td>Newport</td><td>RV120PP</td><td></td></tr><tr><td>Rotation Stage 3</td><td>Newport</td><td>SR50PP</td><td></td></tr><tr><td>Detection arm</td><td>Homemade</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Quartz lamp</td><td>Newport</td><td>66884</td><td></td></tr><tr><td>Fiber Bundle</td><td>Newport</td><td>77578</td><td></td></tr><tr><td>Objective for measurement</td><td>Newport</td><td>M-5X &amp;amp; M-60X</td><td></td></tr><tr><td>Polarizer &amp;amp; Analyzer</td><td>Thorlabs</td><td>GT15</td><td></td></tr><tr><td>Multimode Fiber</td><td>Thorlabs</td><td>BFL105LS02</td><td></td></tr><tr><td>Spectrometer</td><td>Newport</td><td>MS260i</td><td></td></tr><tr><td>CCD</td><td>Andor</td><td>DV420-OE</td><td></td></tr><tr><td>514nm Argon Ion Laser</td><td>Spectra-Physics</td><td>177-G01</td><td></td></tr><tr><td>633nm HeNe Laser</td><td>Newport</td><td>R-32413</td><td></td></tr><tr><td>CdSeTe quantum dot</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>q21061mp</td><td></td></tr><tr><td>Polyvinyl alcohol polymer (PVA)</td><td>SIGMA-ALDRICH</td><td>363073</td><td></td></tr><tr><td>Control program</td><td>National Instruments</td><td>LabVIEW</td><td></td></tr></tbody></table>

determination of the excitation and coupling rates between light emitters and surface plasmon polaritons

我々 は励起と時間分解手法を介さず金属周期配列から生じる発光と表面プラズモンポラリトン (Spp) 間の料金を結合を測定するユニークな方法を開発しました。簡単な光学測定で測定することができます量によって料金を定めています。角度と偏光反射率およびフォトルミネッ センス分光法に基づく計測は、ここで詳細に説明します。我々 のアプローチは、ルーチンの光学系といくつかの機械的段階を必要とし、研究所のほとんどに非常に現実的なしたがってその簡単のため興味をそそられます。

Au 周期配列の例は、図 4 a8のはめ込み式で与えられます。平面ビュー SEM 画像サンプルが 510 の期間を持つ 2次元正方格子円孔配列であることを示しています nm、穴深さ 280 nm と孔径 140 nm。図 4 aに Γ X 方向に沿って撮影 p 偏光の反射率マッピングを示します。ダッシュ線が位相整合, 式 (1) を示す方程式によ...

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Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

このプロトコルでは、励起の決定と結合発光とブロッホのような表面プラズモン ポラリトン周期配列から発生率の計測について説明します。

励起と発光と表面プラズモンのレートを結合の定量

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

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6.7K ビュー.  Sun Yat-sen University. このプロトコルでは、励起の決定と結合発光とブロッホのような表面プラズモン ポラリトン周期配列から発生率の計測について説明します。

ビデオ: Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

工学

Evaluating Plasmonic Transport in Current-carrying Silver Nanowires

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information support1,2,3. In this context, metal nanowires are especially desirable for realizing dense routing networks4. A prerequisite to operate such shared nanowire-based platform relies on our ability to electrically contact individual metal nanowires and efficiently excite surface plasmon polaritons5 in this information support. In this article, we describe a protocol to bring electrical terminals to chemically-synthesized silver nanowires6 randomly distributed on a glass substrate7. The positions of the nanowire ends with respect to predefined landmarks are precisely located using standard optical transmission microscopy before encapsulation in an electron-sensitive resist. Trenches representing the electrode layout are subsequently designed by electron-beam lithography. Metal electrodes are then fabricated by thermally evaporating a Cr/Au layer followed by a chemical lift-off. The contacted silver nanowires are finally transferred to a leakage radiation microscope for surface plasmon excitation and characterization8,9. Surface plasmons are launched in the nanowires by focusing a near infrared laser beam on a diffraction-limited spot overlapping one nanowire extremity5,9. For sufficiently large nanowires, the surface plasmon mode leaks into the glass substrate9,10. This leakage radiation is readily detected, imaged, and analyzed in the different conjugate planes in leakage radiation microscopy9,11. The electrical terminals do not affect the plasmon propagation. However, a current-induced morphological deterioration of the nanowire drastically degrades the flow of surface plasmons. The combination of surface plasmon leakage radiation microscopy with a simultaneous analysis of the nanowire electrical transport characteristics reveals the intrinsic limitations of such plasmonic circuitry.

Silver nanowires can simultaneously transport electrons and optical information in the form of surface plasmons. A procedure is described here to realize such a shared circuitry and the limitations at propagating both information carriers are evaluated.

Plasmonics is an emerging technology capable of simultaneously transporting a plasmonic signal and an electronic signal on the same information ...

Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large extinction coefficients which can be tuned across the visible spectrum. Research into the plasmonic enhancement of optical transitions has become popular, due to the possibility of altering and in some cases improving photo-absorption or emission properties of nearby chromophores such as molecular dyes or quantum dots. The electric field of the plasmon can couple with the excitation dipole of a chromophore, perturbing the electronic states involved in the transition and leading to increased absorption and emission rates. These enhancements can also be negated at close distances by energy transfer mechanism, making the spatial arrangement of the two species critical. Ultimately, enhancement of light harvesting efficiency in plasmonic solar cells could lead to thinner and, therefore, lower cost devices. The development of hybrid core/shell particles could offer a solution to this issue. The addition of a dielectric spacer between a gold nanoparticles and a chromophore is the proposed method to control the exciton plasmon coupling strength and thereby balance losses with the plasmonic gains. A detailed procedure for the coating of gold nanoparticles with CdS and ZnS semiconductor shells is presented. The nanoparticles show high uniformity with size control in both the core gold particles and shell species allowing for a more accurate investigation into the plasmonic enhancement of external chromophores.

The synthesis of uniform gold nanoparticles coated with semiconductor shells of CdS or ZnS is performed. The semiconductor coating is conducted by first depositing a silver sulfide shell and exchanging the silver cations for zinc or cadmium cations.

合成、キャラクタリゼーション、およびハイブリッドのAu / CdSのとAu / ZnSのコア/シェルナノ粒子の機能化

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large ...

化学

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

シングルプラズモニックナノ粒子からの散乱非線形性の測定

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic nanoscale patch antennas. This includes a detailed procedure for the fabrication of thin films with a well-controlled thickness over macroscopic areas using layer-by-layer deposition of polyelectrolyte polymers, namely poly(allylamine) hydrochloride (PAH) and polystyrene sulfonate (PSS). These polyelectrolyte spacer layers serve as a dielectric gap in between silver nanocubes and a gold film. By controlling the size of the nanocubes or the gap thickness, the plasmon resonance can be tuned from about 500 nm to 700 nm. Next, we demonstrate how to incorporate organic sulfo-cyanine5 carboxylic acid (Cy5) dye molecules into the dielectric polymer gap region of the nanopatch antennas. Finally, we show greatly enhanced fluorescence of the Cy5 dyes by spectrally matching the plasmon resonance with the excitation energy and the Cy5 absorption peak. The method presented here enables the fabrication of plasmonic nanopatch antennas with well-controlled dimensions utilizing colloidal synthesis and a layer-by-layer dip-coating process with the potential for low cost and large-scale production. These nanopatch antennas hold great promise for practical applications, for example in sensing, ultrafast optoelectronic devices and for high-efficiency photodetectors.

A protocol for the colloidal synthesis of silver nanocubes and fabrication of plasmonic nanoscale patch antennas with sub-10 nm gaps is presented.

プラズモニクスとナノフォトニクスでのアプリケーションのためのNanopatchアンテナのコロイド合成

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

シリコンリング共振器光子源における量子干渉の測定

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Performing Spectroscopy on Plasmonic Nanoparticles with Transmission-Based Nomarski-Type Differential Interference Contrast Microscopy

Differential interference contrast (DIC) microscopy is a powerful imaging tool that is most commonly employed for imaging microscale objects using visible-range light. The purpose of this protocol is to detail a proven method for preparing plasmonic nanoparticle samples and performing single particle spectroscopy on them with DIC microscopy. Several important steps must be followed carefully in order to perform repeatable spectroscopy experiments. First, landmarks can be etched into the sample substrate, which aids in locating the sample surface and in tracking the region of interest during experiments. Next, the substrate must be properly cleaned of debris and contaminants that can otherwise hinder or obscure examination of the sample. Once a sample is properly prepared, the optical path of the microscope must be aligned, using Kohler Illumination. With a standard Nomarski style DIC microscope, rotation of the sample may be necessary, particularly when the plasmonic nanoparticles exhibit orientation-dependent optical properties. Because DIC microscopy has two inherent orthogonal polarization fields, the wavelength-dependent DIC contrast pattern reveals the orientation of rod-shaped plasmonic nanoparticles. Finally, data acquisition and data analyses must be carefully performed. It is common to represent DIC-based spectroscopy data as a contrast value, but it is also possible to present it as intensity data. In this demonstration of DIC for single particle spectroscopy, the focus is on spherical and rod-shaped gold nanoparticles.

The goal of this protocol is to detail a proven approach for the preparation of plasmonic nanoparticle samples and for performing single particle spectroscopy on them with differential interference contrast (DIC) microscopy.

トランスミッションベースのノマルスキー型差動干渉造影顕微鏡を用いたプラズモニックナノ粒子の分光法の実行

Differential interference contrast (DIC) microscopy is a powerful imaging tool that is most commonly employed for imaging microscale objects using ...

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

フォトニックナノ構造のスペクトルと角度分解磁気光学特性

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric ...

生物工学

Localized Surface Plasmon Resonance Imaging to Detect Protein Secretions from a Single Cell

Source: Raghu, D. et al., <a href="https://app.jove.com/v/53120">A Label-free Technique for the Spatio-temporal Imaging of Single Cell Secretions.</a> J. Vis. Exp.&#160;(2015)
This video demonstrates localized surface plasmon resonance imaging to detect protein secretions from a single cell. Using a microfluidic setup and a peptide-bound plasmonic nanostructure chip, changes in reflected light intensity at the resonance angle reveal interactions with secreted proteins from a single cell.