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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Esta pesquisa foi apoiada pela universidade chinesa de Hong Kong através o 4053077 subsídios diretos e 4441179, RGC competitiva Earmarked bolsas de investigação, 402812 e 14304314 e área de excelência AoE/P-02/12.

1. instalação da litografia de interferência
Nota: Litografia de interferência é usada para fabricar as matrizes periódica12. A configuração esquemática, como é mostrado na Figura 1, é construída da seguinte forma:
<ol><li>Focar o 325 nm laser de um laser multimodo HeCd um 13 X UV da lente objetiva e passar isso através de um furo de 50 μm com base espacial filtro para o modo de limpeza.</li>
	<li>Coloque duas íris 2,5 cm d...

<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>

Neste protocolo, existem várias etapas críticas. Estabilidade mecânica, primeira é fundamental na preparação da amostra. A onda gerada pela instalação de Lloyd é sensível à diferença de fase entre dois feixes de iluminação. Portanto, qualquer vibração durante o tempo de exposição irá degradar a uniformidade e a nitidez de borda da nanohole. É altamente recomendável para operar em um ambiente livre de vibração, por exemplo, uma tabela de óptica com suportes de isolamento de vibração. Al?...

Plasmon de superfície mediada por fluorescência (SPMF) tem recebido considerável atenção recentemente1,2,3,4,5,6. Quando os emissores de luz são colocados em estreita proximidade com um sistema plasmônico, energia pode ser transferida entre os emissores e polaritons de plasmon de superfície (SPPs). Em geral, os fortes campos plasmônico fortemente podem aumentar a excitação dos emissores2. Ao mesmo tempo, a taxa de emissão é também aumentou devido os grandes densidade-de-Estados criados por SPPs, produzindo o conhecido Purcell efeito3. Estes dois processos trabalhoem de mão em mão em produzir o SPMF. Como SPMF tem estimulado inúmeras aplicações em iluminação de estado sólido1,4, energia colheita5e bio-detecção6, é atualmente sob investigação intensiva. Em particular, o conhecimento das taxas de transferência de energia das SPPs para os emissores e vice versa, ou seja, a excitação e acoplamento de taxas, é de grande importância. No entanto, os processos de excitação e emissão geralmente são enredados juntos, estudo sobre este aspecto é ainda insuficiente. Por exemplo, a maioria dos estudos apenas determinar o rácio de eficiência de excitação, que simplesmente compara a emissão com e sem SPPs7. A medida exata da taxa de excitação ainda está desaparecida. Por outro lado, convencional tempo resolvido por técnicas como espectroscopia de fluorescência vida rotineiramente são utilizadas para estudar a dinâmica do processo de emissão, mas são incapazes de separar a taxa de acoplamento a taxa de decaimento total8. Aqui, descrevemos como um pode determiná-las combinando o modelo da equação de taxa e a teoria de modo acoplado temporal9,10. Surpreendentemente, encontramos que a excitação e taxas de acoplamento podem ser expressa em termos de quantidades mensuráveis, que podem ser acessadas através da realização de refletividade de ângulo e polarização-resolvidos e espectroscopia de fotoluminescência. Vamos primeiro delinear a formulação e então descrever a instrumentação em detalhe. Esta abordagem é inteiramente com base em domínio da frequência e não exige qualquer tempo-resolvido acessórios tais como lasers ultra-rápidos e contadores tempo-correlacionados de fóton único, que são caros e às vezes difícil de implementar8, 11. nós antecipamos essa técnica para ser uma tecnologia que permite para a determinação da excitação e taxas entre emissores de luz e cavidades ressonantes de acoplamento.
O SPMF em sistemas periódicos está informado aqui. Para um sistema plasmônico periódico onde SPPs Bloch, como podem ser gerados, além da excitação direta e de emissão, que se caracterizam pela excitação eficiência η e taxa de emissão espontânea Γr, os emissores podem ser excitados pela SPPs entradas e decadência através de SPPs cessante. Em outras palavras, sob excitação de ressonância, SPPs entrantes são gerados para criar campos plasmônico fortes que energizam os emissores. Uma vez que os emissores são excitados, energia deles pode ser transferida para SPPs de saída, que posteriormente radiatively dissipam a distante-campo, dando origem à emissão melhorada. Eles definem o SPMF. Para simples emissores de dois níveis, a excitação refere-se a maior transição de elétrons da terra para os Estados excitados Considerando que a emissão define o decaimento de elétrons de volta para os Estados de solo, acompanhados por emissão de fóton em comprimentos de onda definidos pela diferença de energia entre os Estados excitados e solo. As condições de excitação e emissão para o SPMF são obrigadas a cumprir a fase conhecida correspondência equação para excitar a entrada e saída SPPs9
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq1.jpg">(1)
onde εum e εm são a constante dieléctrica do metal e os dielétricos, θ e φ são os ângulos incidentes e azimutal, P é o período da matriz, λ é o comprimento de onda de excitação ou emissão e m e n são inteiros especificando a ordem de SPPs. Para a excitação, o vetor de onda longitudinal do feixe de laser será Bragg espalhada ao impulso coincidir com as entrada SPPs e o θ e φ junto definem a configuração incidente especificada para excitante as SPPs para melhorar a absorção electrónica na excitação de comprimento de onda λex. Da mesma forma, para a emissão, as SPPs saídas será inversamente Bragg espalhados para coincidir com a linha de luz e os ângulos representam os canais de emissão possível da emissão de comprimento de onda λem. No entanto, note-se que à medida que os emissores podem acoplar sua energia a SPPs propagação vectoriais com <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq2.jpg"> que tem a mesma magnitude <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq3.jpg"> mas direções diferentes, as SPPs podem decair através de várias combinação de (m, n) para longe-campo seguinte EQ. (1).
Usando o modelo de equação de taxa e a teoria de modo acoplado temporal (CMT), encontramos que a excitação taxa Γex, ou seja, a taxa de transferência de energia de SPPs para emissores, pode ser expressa como9,12,13
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq4.jpg">(2)
onde η é a taxa referida excitação direta na ausência da SPPs a entrada, Γtot é a taxa de deterioração total da SPPs a entrada <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq5.jpg"> em que Γabs e Γrad são a absorção ôhmica e taxas de decaimento radiativo do SPPs, e <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq6.jpg"> é a proporção do poder de fotoluminescência com e sem os SPPs de entrada. Por outro lado, o acoplamento taxa Γc, ou seja, a taxa de transferência de energia de emissores para SPPs, pode ser escrito como:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq7.jpg">(3)
onde Γr é a taxa de emissão direta, <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/56735/56735eq8.jpg"> é a proporção do poder de fotoluminescência entre o αth SPP mediada decadência e portas diretas, e Γradα e Γtot são as taxas de decomposição radiativa para o porto deth α e as taxas de decomposição total. Vamos ver que, enquanto todas as taxas de decomposição SPP podem ser medidas por espectroscopia de refletividade, a relação de potência de emissão pode ser determinada por espectroscopia de fotoluminescência. Detalhes das formulações podem ser encontrados na referência9,10.

<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

Nós desenvolvemos um método exclusivo para medir a excitação e acoplamento taxas entre os emissores de luz e polaritons de plasmon de superfície (SPPs) decorrentes de matrizes periódicas metálicos sem envolvendo técnicas de tempo-resolvido. Nós formulamos as taxas por quantidades que podem ser medidas pelo simples medições ópticas. A instrumentação com base no ângulo e polarização-resolvido por refletividade e espectroscopia de fotoluminescência será descrita em detalhes aqui. Nossa abordagem é intrigante devido à sua simplicidade, o que requer várias etapas mecânicas e óptica rotina e, portanto, é altamente acessível para a maioria dos laboratórios de pesquisa.

Um exemplo de uma matriz periódica Au consta a inserção da figura 4a8. A imagem de exibição SEM avião mostra que a amostra é uma matriz de orifício circular 2D lattice quadrado com um período de 510 nm, uma profundidade de furo de 280 nm e um diâmetro de furo de 140 nm. O mapeamento de refletividade p-polarizado tomado ao longo da direção de Γ-X é indicado na figura 4a. A linha de traço é c...

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

Este protocolo descreve a instrumentação para a determinação da excitação e taxas entre emissores de luz e de plasmon de superfície Bloch-como polaritons decorrentes de matrizes periódicas de acoplamento.

Determinação de excitação e taxas entre emissores de luz e Polaritons de Plasmon de superfície de acoplamento

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

Research

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