Uyarma ve oranları arasında ışık Emitters ve yüzey Plasmon Polaritons kaplin belirlenmesi

Özet

Bu iletişim kuralı için uyarma belirlenmesi ve oranları Bloch benzeri yüzey plasmon polaritons periyodik diziler doğan arasındaki ışık yayıcılar kaplin araçları açıklar.

Özet

Uyarma ve metalik periyodik diziler zaman çözüldü teknikleri içeren olmadan doğan oranları arasında ışık yayıcılar ve yüzey plasmon polaritons (SPP'ler) kaplin ölçmek için benzersiz bir yöntem geliştirdik. Biz oranları basit optik ölçümler tarafından ölçülen miktarlarda tarafından formüle. Açı ve polarizasyon çözüldü yansıtırlık ve photoluminescence spektroskopisi temel araçları burada ayrıntılı olarak açıklanacaktır. Bizim rutin optik ve mekanik aşamalarında birkaç gerektirir ve böylece araştırma laboratuvarları çoğu için son derece uygun fiyatlı olan basitliği nedeniyle ilginç bir yaklaşımdır.

Giriş

Yüzey plasmon aracılı Floresan (SPMF) büyük ilgi aldı Geçenlerde^1,2,3,4,5,6. Yakın bir Plazmonik sistemi hafif yayıcılar yerleştirildiğinde, enerji yayıcılar ve yüzey plasmon polaritons (SPP'ler) arasında aktarılabilir. Genel olarak, güçlü Plazmonik alanları şiddetle yayıcılar²uyarma geliştirebilirsiniz. Aynı zamanda, emisyon oranı da büyük yoğunluk-of-bilinen Purcell etkisi³verimli SPP'ler tarafından oluşturulan Birleşik nedeniyle arttırılır. Bu iki süreç SPMF üreten elinde çalışır. Şu anda yoğun soruşturma altında SPMF katı hal aydınlatma^1,4,⁵ve biyo-algılama⁶, hasat enerji çok sayıda uygulamaları teşvik vardır gibi. Özellikle, enerji aktarım hızlarını SPP'ler yayımlayıcıları ve tersi, Yani, üzerinden bilgi uyarma fiyatlar, kaplin ise büyük önem taşımaktadır. Ancak, uyarma ve emisyon işlemleri genellikle birlikte dolaşmış, bu yönü üzerinde çalışma hala eksik. Örneğin, çalışmaların en sadece sadece emisyon ve SPP'ler⁷olmadan karşılaştırır uyarma verimlilik oranı belirler. Uyarma oranı tam ölçüm yok. Öte yandan, geleneksel zaman-gibi floresan ömür boyu Spektroskopi teknikleri rutin emisyon işlemi dinamikleri eğitimi için kullanılır, ancak bağlantı hızı toplam çürüme oranı⁸ayrı edemiyoruz çözüldü. Burada, biz nasıl kimse onları hızı denklemi modeli ve zamansal eşleşmiş modu teori^9,10birleştirerek belirleyebilirsiniz açıklar. Dikkat çekici, hangi-ebilmek var giriş açısı ve polarizasyon çözüldü yansıtırlık ve photoluminescence spektroskopisi gerçekleştirerek ölçülebilir miktarları açısından uyarma ve oranları kaplin ifade edilebilir bulmak. Biz ilk formülasyonu anahat ve araçları ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bu yaklaşım tamamen frekans etki alanı tabanlı ve o does değil istemek gibi ultra-hızlı lazerler ve pahalı ve bazen^8, uygulamak zor ilişkili süre tek foton sayaçları, herhangi bir zaman karar vermek aksesuarları edilmiştir ¹¹. biz uyarma belirleme ve oranları rezonans boşlukları arasındaki ışık yayıcılar kaplin için sağlayan bir teknoloji olması için bu tekniği bekliyorlar.

Periyodik sistemlerindeki SPMF burada hakkında bilgi verdi. Nerede Bloch gibi SPP'ler oluşturulabilir, doğrudan uyarma ve emisyon, dışında uyarma verimliliği η ve spontane emisyon oranı Γ_rtarafından karakterizedir, periyodik bir Plazmonik sistemi için gelen SPP'ler tarafından yayımlayıcıları heyecanlı ve giden SPP'ler çürüme. Başka bir deyişle, rezonans uyarma altında gelen SPP'ler yayımlayıcıları enerji güçlü Plazmonik alanları oluşturmak için oluşturulur. Yayımlayıcıları heyecanlı olduğunda, onlardan enerji için gelişmiş emisyon sebebiyet veren hangi daha sonra radiatively uzakta-tarla için dağıtmak, giden SPP'ler, aktarılabilir. Onlar SPMF tanımlar. Geri devletlere zemin foton emisyon tanımlanan dalga boylarında, eşlik, elektron çürüme emisyon tanımlar, ancak basit iki düzeyli yayıcılar için uyarma elektron artan geçiş heyecanlı Birleşik yere ifade eder heyecanlı ve zemin durumlarındaki enerji fark tarafından. Uyarma ve emisyon SPMF için gelen ve giden SPP'ler⁹ heyecanlandırmak için Denklem eşleşen tanınmış faz yerine getirmek için gerekli koşullar

(1)

Burada ε_bir ve ε_m dielektrik ve metal dielektrik sabitleri vardır, θ ve φ olay ve azimut açıları vardır, P dizi dönemidir, λ uyarma veya emisyon dalga boyu ve m ve n sırasını belirten tamsayı vardır SPP'ler. Uyarma için lazer ışını uçak-wavevector Bragg dağınık gelen SPP'ler ile ivme maç için ve θ ve φ birlikte, elektronik emilimi artırmak için SPP'ler heyecan verici için belirtilen olay yapılandırmasını tanımlayan olacak uyarma dalga boyu λ_ex. Aynı şekilde, emisyon için giden SPP'ler reversely ışık satırıyla eşleşecek şekilde Bragg dağınık ve açıları, şimdi_emdalga boyu λ emisyon mümkün emisyon salgılarını temsil olacak. Ancak, kaydetti yayıcılar için vektörel yayılıyor SPP'ler ile enerji çift gibi aynı büyüklükte olan ama SPP'ler farklı yönlere, çürüme (m, n) çeşitli kombinasyonu için uzakta-tarla aşağıdaki EQ (1) üzerinden.

Hızı denklemi modeli ve zamansal eşleşmiş modu teorisi (CMT) kullanarak, bu uyarma oranı Γ_ex, Yani, SPP'ler gelen enerji aktarım hızı yayımlayıcılarına bulmak,^9,12,13 ifade edilebilir

(2)

η gelen SPP'ler yokluğu söz konusu doğrudan uyarma oranıdır, Γ_tot gelen SPP'ler toplam çürüme oranı nerede hangi Γ_abs ve Γ_rad içinden emme ve SPP'ler, ışınımsal çürüme oranları olduğunu ve  photoluminescence güç oranı ve gelen SPP'ler olmadan. Öte yandan, bağlantı hızı Γ_c, Yani, SPP'ler için yayıcılar gelen enerji aktarım hızı olarak yazılabilir:

(3)

Γ_r doğrudan emisyon oranı, olduğu yerde photoluminescence güç oranı arasında α^th SPP aracılı çürüme ve doğrudan bağlantı noktaları ve Γ_rad^α ve Γ_tot α^inci liman için ışınımsal çürüme oranları ve toplam çürüme oranları. Biz tüm SPP çürüme oranları yansıtırlık spektroskopisi tarafından ölçülebilir iken, emisyon güç oranı photoluminescence spektroskopisi tarafından tespit edilebilir göreceksiniz. Formülasyonları ayrıntılarını başvuru^9,10dakika sonra bulunabilir.

Protokol

1. Kur girişim litografi

Not: Girişim litografi periyodik diziler¹²imal için kullanılır. Şematik yapısı Şekil 1' de gösterildiği gibi aşağıdaki gibi oluşturulmuştur:

1. A 13 X UV objektif lens ve 50 mikron iğne deliği içinden mekansal filtre temizleme modu için temel geçmek için HeCd düzenlediği lazer 325 nm lazer odak.
2. Daha da ıraksak ışık orta bölgesinde filtre iki 2.5 cm çap süsen 30 cm arayla yerleştirin. Sonra ikinci gözü ışın çapı 2.5 cm eşittir ve çok yavaş ikinci gözü 1 m mesafede < 3 cm mesafe ile artar. Işığı neredeyse collimated kabul edilir.
   Not: İkinci Iris çıktısı çıplak gözle tarafından işaretlendiğinde tek tip olmalıdır.
3. Bir Lloyd'un ayna Girişmölçeri için collimated ışını yönlendirmek. Lloyd's kurulum bir prizma tabanlı örnek sahibi ve bir 5,04 cm ayna konumlandırılmış dik içerir. Doğrudan ve yansıyan aydınlatmaları birlikte desenlendirme için örnek yüzeyi boyunca istikrarlı bir duran dalga oluşturun. Prizma Antireflect bir aygıtı olarak davranır.
   Not: Duran dalga süre P olarak yazılmış olabilir: , burada λ = 325 nm ve α bu olay açı ile ilgili örnek normal, Şekil 1' de gösterildiği gibi. Lloyd's kurulum döndürerek olay açısı ayarlanabilir.

2. periyodik dizi hazırlık

Not: Örnek üretici tarafından önerilen standart prosedür altında hazır. Tüm yordamları oda sıcaklığında gerçekleştirilir.

1. 1 cm² cam alt katman kullanın. Metanol ve 10 min her bir ultrasonik banyo için aseton ile cam temizlemek ve sonra bu kiri çıkarmak 1 h için 200 ° c sıcak tabakta öncesi fırında.
2. Spin-kat 5 nm kalın adezyon tabaka ile cam alt katman ve bir 100 nm kalın negatif SU-8 fotorezist bir iki hızlı spin-coater ile.
   1. Böylece kalınlığı 100 yakın kontrol edilebilir bir oranı 1:5 (v/v) Gamma-butirolakton ile SU-8 fotorezist seyreltik nm spin-kaplama sonra.
   2. 3-5 damla (0.2 mL) yapışma çözüm cam alt katman ve spin için 10 s 600 rpm ve 3600 rpm için 1 dk, arka arkaya dağıtmak.
   3. 2.2.2 5-7 (0.3 mL) damla ile seyreltilmiş SU-8 adım 2.2.1 aynı hızda arasındaki adımları yineleyin.
      Not: fotorezist geliştirme sırasında soyulmak değil böylece yapışma katman cam alt katman ve fotorezist arasındaki yapışma geliştirir. SU-8 katman kalınlığı konsantrasyonu ve spin-coater hızını tarafından kontrol edilir.
3. Örnek 1 dk 65 ° C ve 95 ° C Ocak üzerinde ppost. Fırınlar burada tavsiye edilmez.
4. Örnek Girişmölçeri prizma aktarın. Kırılma indisi petrol eşleşen bir damla ekleyin (n = 1,45) örnek prizma üzerinde eklemek için. Ayna gibi mümkün olduğunca yakın yerleştirin.
   Not: Örnek petrol yüzey gerilimi nedeniyle prizma yüzeyinde eklenir. Kırılma indisi petrol prizma ve cam yüzey arka yansıma girişim ortadan kaldırmak için aynı olacak şekilde seçilir.
5. İki boyutlu bir kare kafes için örnekle iki kez aynı çekim hızı ama dik yönde ortaya çıkarmak; diğer bir deyişle, örneği ortaya çıkarmak ve sonra tarafından saniye pozlama için 90 ° döndürün. Fotorezist 325 nm ışığa maruz kaldığında bu Glossar ve SU-8 geliştirici tarafından çözüldü.
   Not: Dizinin çapı D çekim hızı ayarlayarak denetlenebilir.
6. Sert örnek 65 ° C ve 95 ° C için film çatlama önlemek 2 dk pişirin.
7. Tüm örnek geliştirici sürekli ajitasyon ile 2 min için buluşuyor alan çözülmeye bırakın.
8. İzopropil alkol kalanlar durulayın ve basınçlı hava ile kuru için 1 dakika için örnekte bırakın. Nanohole dizi sonra elde edilir.

3. altın Film biriktirme ve ışık yayıcı kaplama

1. Örnek SAÇTIRMA biriktirme sistemi Au film biriktirme için çift taraflı bant ile radyo frekans magnetron örnek sahibi iliştirin.
2. Turbomoleküler pompa kullanarak bir 2 x 10^-6 Torr temel basınç odasına aşağı pompa ve sonra geri 6 x 10^-3 ile Torr Ultra yüksek saflıkta Ar gaz doldurun.
3. Bir 5 cm çap % 99.9 Au hedef kullanma ve örnek ve hedef arasındaki çekim yer. Düşük güç (50 W) yanı sıra yüzey pürüzlülüğü ifade oranını azaltmak için kullanın. Kapalı çekim ile hedef kiri çıkarmak 10 dakika önceden şaplatın.
4. İfade, oda sıcaklığında 20 dakika işlemek için çekim açın. Bir film kalınlığı 100 nm Plazmonik sistemi ile iletim yok optik kalın olduğundan emin olmak için düzenli olarak yatırılır.
5. Örnek hazır olduğunda, spin-ceket ışık yayan organik boya veya kuantum gibi maddeler dielektrik ince bir tabaka oluşturmak için metal yüzeyde nokta.
   1. Başvuru⁹' kullanılan styryl 8 boya için styryl 8 ve 500 µg Polivinil alkol polimer (PVA) 5 ml metanol 20 µg geçiyoruz.
   2. 3-5 damla (0.2 mL) boya çözüm örneği dağıtmak ve arka arkaya 10 s 600 rpm ve 1 dk. için 3600 d/d spin. Kalınlığı 80 olduğu tahmin edilmektedir nm.
      Not: Su çözünür veya çözünmez polimer yayan malzeme türüne bağlı olarak demir malzemesi olarak kullanılabilir. Ancak, bu photoluminescence ölçümleri ile müdahale olmaz böylece polimer yayıcı sigara olmalıdır. Polimer Polivinil alkol (PVA) rodamine 6 G gibi suda eriyen boyalar ve styryl 8 eriterek için önerilir.

4. yansıtırlık ölçümleri SPP çürüme oranları belirlemek için

Not: Kutuplaşma ve açı çözüldü yansıtırlık spektroskopisi Kur Şekil 2' de gösterilmiştir. Gonyometre bağımsız olarak örnek yönlendirme (Aşama 1) ve algılama açı (Aşama 2) aynı zamanda örnek azimut açısı (Evre 3) değiştirmek için döndürme etapları ile oluşur.

1. Kuvars lamba üzerinden geniş bant beyaz ışık ışık kaynağı olarak kullanın. İlk multimod fiber paket çift ve sonra collinear yüz yüze objektif lens (5 X ve 60 X) bir çift tarafından collimate. Örneği farklı olay açılarda ışık demeti örnek yönünü değiştirerek aydınlatmak. Olay polarize ve algılama analyzer bir çift önce ve sonra örnek polarizasyon bağımlı ölçümler için yerleştirin.
   Not: Yüz yüze hedefleri collimates ve beyaz ışık kaynağı multimod fiber genişleten bir objektif sistemi olarak hareket ederler.
2. Düzenlediği bir lif speküler yansıma bir Spektrometre ve Spektroskopi için bir CCD detektörü bağlandığı örnek toplamak için kullanın.
3. Dikkatle örnek yönlendirme sahne ve algılama dönüş aşamaları konsantrik, emin olmak için ayarları hizalamak i.e., onların döndürme eksen collinear.
4. Düz bir Au film Kur'a kalibre. Yansıma spectra farklı olay açılarda ölçmek ve onları bir bilinen Au dielektrik fonksiyonu kullanarak Fresnel denklemler tarafından hesaplanan teorik yansıma spectra ile karşılaştırın. İki veri kümesi hata az % 5 ile tutarlı olması gerekir.
5. Kuruluma hazır olduğunda, doğrusal polarize, p veya s, yansıma spectra örnek farklı olay açılarda ölçmek. Adım boyu olay açının 0.5 ° ve dalga boyu Çözünürlük 0.66 nm. Spectra birden çok olay açıları altında toplamak için bir denetim programı için Otomasyon mekanik hareket, çekim denetim, veri toplama, arka plan çıkarma, vbdahil olmak üzere bulunmakta.
   Not: Bu adım hesaplama yapılır. Program istek üzerine mevcuttur. Yazarın gerekirse kaynak kodu için bir e-posta gönderin.
6. Kontur Arsa yansıtırlık modu kimlik ve çürüme oranı tayini için Plazmonik sisteminin dağılımı ilişkisi elde etmek için dalga boyu ve olay açı vs.
   Not: Örnek azimut açısı Brillouin bölge bulunduğu bulmaktır. Örneğin, kare örgü örneği için örnek azimuthally onun dönemlerden biridir olay uçakla paralel ve bu tanımlar Γ-X yönünde döndürür. Örnek Γ-M yön tanımlamak için 45 ° döndür.
7. Polarize olay ayarlanırsa olay uçak ve analiz ile ilgili 45°-45 °, dikey veya çapraz-polarize, yansıtırlık eşleme ölçmek.
8. P polarize ve ortogonal yansıma spectra ayıklamak ve onları CMT^9,12,13, kullanarak uygun SPP'ler çürüme hızı için tartışmada açıklandığı gibi.

5. Photoluminescence emisyon güç oranı belirlemek için ölçümleri

Not: Açı ve polarizasyon çözüldü photoluminescence Kur Şekil 3' te gösterilmiştir.

1. Geniş bant ışık kaynağı 514 nm argon iyon veya 633 nm Helene lazer ile değiştirin. Tam genişliği yarım en (FWHM) 5'ten daha az lazer satır filtre kullanmak nm lazer hayalice temiz ve lazer ışını polarizasyon durumunu kontrol etmek için bir yarı-dalga tabak yerleştirin. Gonyometre ve algılama birimi değişmeden kalır. Bir çentik filtresi ışıldama gömer lazer çizgi kaldırmak için algılama birimi önce yerleştirin.
   Not: Lazer dalga boyu yayan malzeme türüne göre değişir. Daha yüksek foton enerji daha kısa emisyon dalga boyu ile malzeme heyecanlandırmak için gereklidir.
2. EQ (2) ve (3) için emisyon güç oranı ölçmek için ölçümleri iki türde davranış: algılama ve olay inceden inceye gözden geçirmek. Olay ve algılama taramalar arasında Interplay yardımcı belirlemede , , , ve .
3. Olay tarama için algılama açı ile ilgili örnek normal tamir ama olay açı sürekli olarak değişir.
   Not: Bu adım hesaplama yapılır. Bu yapılandırma seçerek olay açı bağımlı, seçilen algılama açı altında emisyon varyasyonu izleme sırasında gelen SPP'ler heyecanlandırıyor. Başka bir deyişle, EQ (1) denklemi eşleşen faz olay açı yerine getiren emisyon artar.
   1. Kontur photoluminescence spectra dalga boyu ve olay tarama eşleme için olay açı karşı arsa. Eşlemeleri için farklı algılama açı ölçmek ancak göreli yoğunluklarda aynı bulundu. Bu nedenle, olay tarama gelen SPP'ler etkisini emisyon ya da sade bir şekilde ölçmek için bize izin verir uyarma geliştirme probları ve .
4. Algılama taraması için normal örnek ile ilgili olarak olay açı düzeltmek ama algılama açısı değişir.
   Not: Bu adım hesaplama yapılır.
   1. Benzer şekilde, kontur photoluminescence spectra algılama tarama eşleme dalga boyu ve algılama açı verimleri ile çizmek. SPP emisyon SPP'ler radyasyon sönümleme özelliğine doğar, emisyon güçlü algılama açı bağımlı gibidir. Bu nedenle, sürekli uyarma altında emisyon artar algılama açı EQ (1) yerine getirir. Bu yapılandırma emisyon geliştirme probları ve belirlemek için bize izin verir için farklı α^th sipariş iyi tanımlanmış algılama açı bağımlılık olduğu sürece.

Sonuçlar

Bir örnek bir Au periyodik dizinin Şekil 4a⁸ilave verilir. Uçak görünümü SEM görüntü örnek 510 süresi ile 2D kare kafes dairesel delik dizi olduğunu gösteriyor nm, bir delik derinliği 280 nm ve bir delik çapı 140 nm. Γ-X yön alınan p polarize yansıtırlık eşleme Şekil 4aiçinde gösterilir. Kesik çizgi denklemi olduğunu belirten EQ (1) eşleşen faz tarafından hesaplanır (m = -1...

Tartışmalar

Bu protokol için birkaç önemli adım vardır. İlk, mekanik sağlamlık örnek hazırlık çok önemlidir. Duran dalga Lloyd'un Kur tarafından üretilen iki aydınlatma ışını arasındaki faz farkı duyarlıdır. Bu nedenle, pozlama süresi sırasında herhangi bir titreşim homojenlik ve kenar nanohole netliğini düşer. Bir titreşim özgür ortamı, Örneğin, titreşim yalıtım destekler optik bir tabloyla çalışmak için önerilir. Buna ek olarak, yüksek güçte lazer de buna göre pozlama süre...

Malzemeler

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