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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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 ?...

<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>

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 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

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 ...

Research

JoVE Journal

Engineering

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