Name: determination of the excitation and coupling rates between light emitters and surface plasmon polaritons
Uploaded: 2018-07-21T12:30:00
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Questa ricerca è stata sostenuta dall'Università cinese di Hong Kong attraverso il 4053077 di sovvenzioni dirette e 4441179, RGC stanziati ricerca finanziamenti competitivi, 402812 e 14304314 e Area di eccellenza AoE/P-02/12.

1. installazione della litografia di interferenza
Nota: Litografia di interferenza viene utilizzato per fabbricare le matrici periodiche12. La configurazione schematica, come è illustrato nella Figura 1, è costruita come segue:
<ol><li>Concentrare il 325 nm laser da un laser multimodo HeCd per un 13 X UV lente dell'obiettivo e passare attraverso un foro stenopeico 50 μm basato filtro spaziale per la modalità di pulizia.</li>
	<li>Posi...

<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>

In questo protocollo, ci sono diversi passaggi critici. Stabilità meccanica, prima è cruciale nella preparazione del campione. Le onde stazionarie generate dal programma di installazione di Lloyd è sensibile alla differenza di fase tra due travi di illuminazione. Pertanto, qualsiasi vibrazione durante il tempo di esposizione si degrada l'uniformità e la nitidezza dei bordi dell'ordinata. Si consiglia vivamente di operare in un ambiente privo di vibrazioni, ad esempio, una tabella ottica con supporti di isola...

Plasmonica di superficie mediata fluorescenza (SPMF) ha ricevuto un'attenzione considerevole recentemente1,2,3,4,5,6. Quando emettitori di luce sono collocati in prossimità di un sistema plasmonico, energia possa essere trasferito tra gli emettitori e plasmonica di superficie polaritoni (SPPs). In generale, i forti campi plasmonici fortemente possono migliorare l'eccitazione di emettitori2. Allo stesso tempo, il tasso di emissione è aumentato anche a causa del grandi densità degli stati creati da SPPs, producendo il ben noto effetto di Purcell3. Questi due processi lavorano mano nella mano nella produzione del SPMF. Come SPMF ha stimolato numerose applicazioni di illuminazione a stato solido,1,4,5e bio-rilevamento6, l'accumulo di energia è attualmente sotto indagine intensiva. In particolare, la conoscenza della velocità di trasferimento di energia da SPPs gli emettitori e viceversa, cioè, l'eccitazione e accoppiamento tariffe, è di grande importanza. Tuttavia, i processi di eccitazione e di emissione sono solitamente impigliati insieme, studio su questo aspetto è ancora carente. Ad esempio, la maggior parte degli studi solo determinare il rapporto di efficienza di eccitazione, che confronta semplicemente l'emissione con e senza SPPs7. L'esatta misurazione del tasso di eccitazione è ancora manca. D'altra parte, convenzionale risolta nel tempo tecniche quali la spettroscopia di fluorescenza durata sono abitualmente utilizzati per studiare la dinamica del processo di emissione, ma non sono in grado di separare il tasso di accoppiamento dal tasso di decadimento totale8. Qui, descriviamo come uno può determinare loro combinando il modello di equazione di tasso e la modalità di accoppiamento temporale teoria9,10. Notevolmente, troviamo che l'eccitazione e tariffe di accoppiamento può essere espresso in termini di quantità misurabili, che sono accessibili mediante l'esecuzione di riflettività risolta di angolo e di polarizzazione e spettroscopia di fotoluminescenza. Noi innanzitutto delineare la formulazione e quindi descrivere la strumentazione in dettaglio. Questo approccio è interamente basato su dominio di frequenza e non richiede alcuna accessori risolta nel tempo come laser ultra-veloce e correlati nel tempo del singolo-fotone contatori, che sono costosi e talvolta difficili da implementare8, 11. possiamo anticipare questa tecnica per essere una tecnologia abilitante per determinare l'eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e cavità risonanti di accoppiamento.
Il SPMF in sistemi periodici è informato qui. Per un sistema periodico plasmonico dove SPPs Bloch-come può essere generato, diverso da quello diretto eccitazione e di emissione, che sono caratterizzate dall'eccitazione efficienza η ed emissione spontanea tasso Γr, gli emettitori possono essere eccitati SPPs in ingresso e decadimento via SPPs in uscita. In altre parole, sotto eccitazione di risonanza, in arrivo SPPs vengono generati per creare forti campi plasmonici che eccitano gli emettitori. Una volta che gli emettitori sono eccitati, energia da loro possa essere trasferita in uscita SPPs, che successivamente viene dissipa per campo lontano, dando luogo a una maggiore emissione. Essi definiscono SPMF. Per emettitori semplici a due livelli, l'eccitazione si riferisce alla transizione aumentata degli elettroni dal suolo per stati eccitati mentre l'emissione definisce il decadimento degli elettroni negli Stati Uniti di terra, accompagnati da emissione di fotoni a lunghezze d'onda definite tramite la differenza di energia tra gli stati eccitati e di terra. Le condizioni di eccitazione e di emissione per il SPMF sono tenute a compiere la fase ben nota corrispondente equazione per eccitare l'incoming e outgoing SPPs9
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq1.jpg">(1)
dove εun e εm sono le costanti dielettriche dei dielettrici e il metallo, θ e φ sono gli angoli azimutali e incidenti, P è il periodo della matrice, λ è la lunghezza d'onda di eccitazione o emissione e m e n sono valori integer che specifica l'ordine di SFF. Per l'eccitazione, il wavevector nel piano del raggio laser sarà Bragg sparsi per partita di slancio con la SPPs in ingresso e il θ e φ insieme definire la configurazione specificata incidente per emozionanti SPPs per aumentare l'assorbimento elettronico presso la eccitazione lunghezza d'onda λex. Allo stesso modo, per l'emissione, il SPPs in uscita sarà inverso Bragg sparsi per abbinare la linea di luce e gli angoli rappresentano ora i canali di emissione possibile presso il λ lunghezza d'onda di emissioneem. Tuttavia, è notato che come gli emettitori possono accoppiarsi loro energia per SPPs moltiplicazione vettoriale con <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq2.jpg"> che ha la stessa grandezza <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq3.jpg"> ma direzioni diverse, il SPPs può decadere tramite varie combinazione di (m, n) di campo lontano seguenti EQ. (1).
Utilizzando il modello di equazione di tasso e la teoria dei modi accoppiati temporale (CMT), troviamo che l'eccitazione tasso Γex, cioè, la velocità di trasferimento di energia dalla SPPs ad emettitori, può essere espresso come9,12,13
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq4.jpg">(2)
dove η è il tasso di eccitazione diretta sopraccennato in assenza del SPPs in arrivo, Γtot è il tasso di decadimento totale del SPPs in arrivo <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq5.jpg"> in cui Γabs e Γrad sono l'assorbimento ohmico e tassi di decadimento radiativo di SPPs, e <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq6.jpg"> è il rapporto di potenza di fotoluminescenza con e senza il SPPs in arrivo. D'altra parte, l'accoppiamento tasso Γc, vale a dire, la velocità di trasferimento di energia da emettitori di SPPs, può essere scritta come:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq7.jpg">(3)
dove Γr è il tasso di emissione diretta, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq8.jpg"> è il rapporto di potenza di fotoluminescenza tra il αth SPP mediato decadimento e porte diretto e Γradα e Γtot sono i tassi di decadimento radiativo per la porta dith α e i tassi di decadimento totale. Vedremo che, mentre tutti i tassi di decadimento SPP possono essere misurati dalla spettroscopia di riflettanza, il rapporto di potenza di emissione può essere determinato dalla spettroscopia di fotoluminescenza. Dettagli delle formulazioni possono essere trovati in riferimento9,10.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:817px;" width="818">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">SU-8</td>
			<td style="width:213px;">MicroChem</td>
			<td style="width:119px;">SU-8 2000.5</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Adhesion solution</td>
			<td style="width:213px;">MicroChem</td>
			<td style="width:119px;">Omnicoat</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:21px;width:319px;">SU-8 Thinner (Gamma-Butyrolactone)</td>
			<td style="width:213px;">MicroChem</td>
			<td style="width:119px;">SU-8 2000 Thinner</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">SU-8 Developer</td>
			<td style="width:213px;">MicroChem</td>
			<td style="width:119px;">SU-8 Developer</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Spin Coater</td>
			<td style="width:213px;">Chemat Technology</td>
			<td style="width:119px;">KW-4A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">HeCd laser</td>
			<td style="width:213px;">KIMMON KOHA CO., LTd</td>
			<td style="width:119px;">IK3552R-G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Shutter</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">SH05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Objective for sample preparation</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">U-13X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Pinhole</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">PNH-50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Iris</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">M-DI47.50</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Prism</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">PS611</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Rotation stage for sample preparation</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">481-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Supttering Deposition System</td>
			<td style="width:213px;">Homemade</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Rotation Stage 1</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">URM80ACC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Rotation Stage 2</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">RV120PP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Rotation Stage 3</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">SR50PP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Detection arm</td>
			<td style="width:213px;">Homemade</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Quartz lamp</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td align="right" style="width:119px;">66884</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Fiber Bundle</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td align="right" style="width:119px;">77578</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Objective for measurement</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">M-5X &#38; M-60X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Polarizer &#38; Analyzer</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">GT15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Multimode Fiber</td>
			<td style="width:213px;">Thorlabs</td>
			<td style="width:119px;">BFL105LS02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Spectrometer</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">MS260i</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">CCD</td>
			<td style="width:213px;">Andor</td>
			<td style="width:119px;">DV420-OE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">514nm Argon Ion Laser</td>
			<td style="width:213px;">Spectra-Physics</td>
			<td style="width:119px;">177-G01</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">633nm HeNe Laser</td>
			<td style="width:213px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">R-32413</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">CdSeTe quantum dot</td>
			<td style="width:213px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">q21061mp</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Polyvinyl alcohol polymer (PVA)</td>
			<td style="width:213px;">SIGMA-ALDRICH</td>
			<td align="right" style="width:119px;">363073</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">Control program</td>
			<td style="width:213px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">LabVIEW</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

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

Abbiamo sviluppato un metodo unico per misurare l'eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e plasmonica di superficie polaritoni (SPPs) derivanti da matrici periodiche metalliche senza coinvolgere risolta nel tempo tecniche di accoppiamento. Abbiamo formulato le tariffe dalle quantità che può essere misurata con semplici misure ottiche. La strumentazione basata sulla riflettività risolta di angolo e di polarizzazione e spettroscopia di fotoluminescenza descriveremo in dettaglio qui. Il nostro approccio è intrigante grazie alla sua semplicità, che richiede routine ottiche e meccaniche diverse fasi e quindi è molto conveniente per la maggior parte dei laboratori di ricerca.

Un esempio di matrice periodica Au è dato nella rientranza di Figura 4a8. L'immagine di vista SEM aereo Mostra che il campione è una matrice di foro circolare 2D reticolo quadrato con un periodo di 510 nm, una profondità del foro di 280 nm e un diametro del foro di 140 nm. Il mapping di riflettività p-polarizzato preso lungo la direzione di Γ-X è mostrato nella Figura 4a. Il tratto di linea viene cal...

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

Questo protocollo descrive la strumentazione per la determinazione dell'eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e Bloch-come plasmonica di superficie polaritoni derivanti da matrici di periodiche di accoppiamento.

Determinazione di eccitazione e tariffe tra emettitori di luce e polaritoni plasmonica di superficie di accoppiamento

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

Research

JoVE Journal

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