Povrchová plazmónová rezonančná spektroskopia jednoduchých bowtiových nano-antén pomocou metódy diferenciálnej odraznosti | vedecké správy

Povrchová plazmónová rezonančná spektroskopia jednoduchých bowtiových nano-antén pomocou metódy diferenciálnej odraznosti | vedecké správy

Anonim

predmety

  • nanočastice
  • Nanofotonika a plazmonika
  • Semiconductors

abstraktné

Uvádzame informácie o štrukturálnych a optických vlastnostiach jednotlivých motýlikov na sklenených aj polovodivých substrátoch GaAs. Ukázalo sa, že antény na skle (GaAs) sú vynikajúcej kvality a vysokej uniformity, ktoré sa odrážajú úzkym rozdelením veľkosti so štandardnými odchýlkami pre trojuholník a veľkosť medzery.

Image

= 4, 5 nm

Image
= 2, 6 nm
Image
a
Image
= 5, 4 nm
Image
= 3, 8 nm
Image
, resp. Zodpovedajúce optické vlastnosti jednotlivých nanoantenónov študované pomocou diferenciálnej odrazovej spektroskopie ukazujú silnú redukciu rezonančnej lineárnej rezonančnej línie plazmónu polaritónu z 0, 21 eV na 0, 07 eV pri znížení veľkosti antény zo 150 nm na 100 nm. To sa pripisuje neprítomnosti nehomogénneho rozširovania v porovnaní s optickými meraniami na súboroch nanoantenna. Inter-časticové spojenie jednotlivého motýle nanoantenna, ktoré vedie k silne lokalizovaným a zosilneným elektromagnetickým hotspotom, je demonštrované pomocou polarizačne rozlíšenej spektroskopie, ktorá vedie k veľkému stupňu lineárnej polarizácie ρ max ~ 80%. Kombinácia vysoko reprodukovateľnej nanofabrikácie a rýchlej, nedeštruktívnej a nekontaminujúcej optickej spektroskopie pripravuje cestu k budúcim polovodičovým nano-plazmonickým obvodom, ktoré sa skladajú z viacerých fotonických a plazmmonických entít.

úvod

Je známe, že jednotlivé kovové nanočastice 1, nanočasticové diméry 2 alebo dokonca nanočasticové polia 3 koncentrujú viditeľné žiarenie 4, infračervené žiarenie 5 a mikrovlnné žiarenie 6 z ďalekého poľa do optických objemov s menšou vlnovou dĺžkou a súčasne vedú k silným vylepšeniam elektrického poľa 7, 8 na objednávku 10 3 - 10 4 . Najmä sa ukázalo, že optické antény 9, ako sú bowtie nanoantenódy, poskytujú okrem mimoriadne vysokých vylepšení poľa 10 aj smerovosť 11, širokopásmové spektrálne odozvy 12, miestne elektrické ovládanie 13 s potenciálom laditeľnosti 14, vysoko efektívny elektrooptický pohon 15 a úplnú polarizáciu. kontrola 16 . Medzi inými tieto systémy už našli aplikácie v Ramanovej spektroskopii 17 s vylepšeným povrchom, litografii 18 s ultra vysokým rozlíšením a mikroskopii 19, biochemickom snímaní 20, 21, spontánnej kontrole emisií 22 a vylepšení 23, 24, nelineárnej optike 25, 26 a premena slnečnej energie 27 .

Chemická syntéza 28 plazmmonických nanoštruktúr je dobre zavedená a široko používaná, pretože na výrobu veľkého množstva plazmonických nanočastíc sa nevyžaduje zložité a drahé vybavenie. Nano-litografické techniky však ponúkajú oveľa väčšiu flexibilitu pri kontrole a deterministickom navrhovaní optických vlastností plazmonických nanoštruktúr. Napríklad je možné prispôsobiť lokalizovanú povrchovú plazmónovú polaritónovú rezonanciu presným nastavením veľkosti 29, 30 a tvaru 31, ako aj polarizáciou rozptýlených fotónov prostredníctvom geometrie antény 16 . Presná kontrola umiestnenia a hustoty častíc počas litografického procesu navyše umožňuje zapnúť radiačnú väzbu v poliach nanočastíc 32, a teda viesť k multipolárnym povrchovým plazmónovým režimom 33 a kolektívnym rezonanciám povrchovej mriežky 34 . To sa ukazuje ako rozhodujúce pri navrhovaní nových vlastností, ako je magnetická polarizovateľnosť 35, negatívne indexy lomu 36 alebo fázové gradienty 37 v metasurfaces 38 .

V posledných rokoch bolo zavedených veľa spektroskopických metód na štúdium jednotlivých plazmonických nanoštruktúr 39 . Príklady zahŕňajú skenovanie optickej mikroskopie 40 blízkeho poľa, zoslabený celkový vnútorný odraz 4, experimenty extinkcie alebo prenosu 2 a spektroskopia tmavého poľa 41 . Väčšina týchto metód si však vyžaduje nákladné vybavenie, vyžaduje špeciálne navrhnuté vzorky alebo kontaminuje ich povrch. Preto by spoľahlivá, rýchla, nedeštruktívna a lacná metóda merania s veľkým priestorovým rozlíšením bola veľmi atraktívna na stanovenie optických vlastností jednotlivých plazmmonických nanoštruktúr na budúcom polovodičovom plazmmonálnom nanoobvode 42, 43 .

Tu uvádzame systematickú a komplexnú štúdiu štruktúrnych a optických vlastností jednotlivých, litograficky definovaných bowtie nanoantenónov 12 na sklenených a polovodivých substrátoch GaAs pomocou diferenciálnej odrazovej spektroskopie. Preto sme pomocou litografie elektrónovým lúčom 30 vyrobili antény s veľkosťou 100 nm ≤ s 0 ≤ 150 nm , medzery v napájaní až do 5 nm a polomery špičiek rc = 14 ± 5 nm . Skenovacia elektrónová mikroskopia poskytuje úzke rozdelenie veľkosti trojuholníka a veľkosti medzery na sklenených substrátoch (GaAs) so štandardnými odchýlkami

Image

Image
a
Image
Image
, čo znamená vysoko uniformnú a reprodukovateľnú nanofabrikáciu. Zodpovedajúce optické vlastnosti jednotlivých nanoantenónov motýľov sa skúmajú pomocou vysoko-priestorového rozlíšenia, diferenciálnej odrazovej spektroskopie, demonštrujúcej lineárnu (inverznú kubickú) závislosť povrchovej plazmónovej rezonančnej energie E res na veľkosti trojuholníkov (veľkosť medzery) 12, 30 . Porovnanie medzi meraniami na jednotlivých súboroch a súboroch motýle nanoantenónov 30 ukazuje jasné náznaky nehomogénneho rozšírenia 4, ktoré sa mení s 0, 07 eV a 0, 21 eV pre s 0 = 100 nm a s 0 = 150 nm . Nakoniec sme študovali inter-časticové spojenie medzi dvoma nano-trojuholníkmi, ktoré tvoria motýlikový nanoantenna pomocou polarizačne rozlíšenej spektroskopie. Tieto merania ukazujú silne lineárne polarizovanú emisiu pozdĺž hlavnej osi antény v združenom režime so stupňom polarizácie až do max. 80%. Naše výsledky sú v kontraste so štúdiami na polovodičových substrátoch GaAs a všetky experimenty sú ukázané vo vynikajúcej zhode s numerickými simuláciami 44 .

výsledok

Na obrázku 1 (a) je uvedený výber skenovacích elektrónových mikroskopických obrazov litograficky definovaných nanočastíc Au bowtie na nevodivom sklenenom substráte pozostávajúcom z dvoch nominálne rovnostranných nanotrianglov usporiadaných v usporiadaní hrot-hrot 12, 30 . Horný (spodný) riadok ukazuje motýle nanoantenódy pre konštantnú nominálnu veľkosť trojuholníka s 0 = 140 nm (veľkosť medzery g 0 = 10 nm ) a zvyšujúce sa g 0 ( s 0 ) medzi 5 nm (100 nm ) a 50 nm (150 nm ) zľava doprava, resp. Hrúbka antény bola udržiavaná konštantná pri t = 35 nm . Trojuholníky tvoriace motýlik nanoantenna sú vysokej kvality, vyznačené hladkými hranami a povrchmi bez pozorovateľných deformácií alebo rozstrapkania. Zistilo sa, že typické polomery hrotu sú rc = 14 ± 5 nm . Vysoko reprodukovateľný výrobný proces je ďalej podporený histogrammi vynesenými na obr. 1 písm. B), ktoré predstavujú počet jednotlivých nanoantenónov motýľ ako funkciu odchýlky veľkosti trojuholníka Δ s ≡ s - s 0 a odchýlky veľkosti Δ g ≡ g - g 0 na ľavom a pravom paneli. Tu s a g označujú experimentálne určený trojuholník a veľkosť medzery, ako je definované na obrázkoch najviac vľavo na obrázku 1 (a). Extrahovali sme ag pri skenovaní elektrónovou mikroskopiou s vysokým rozlíšením pre ~ 300 nominálne identických nanoantenód motýľ bez akéhokoľvek predbežného výberu, pričom s 0 a g 0 presahovali rozsah uvedený na obrázku 1 (a). Oba histogramy pre A a A sú dobre opísané gaussovskou distribúciou

Image

kde μ a σ označujú očakávanú hodnotu a smerodajnú odchýlku. Z výsledkov histogramov veľkosti trojuholníka a veľkosti medzery získame úzke rozdelenie naznačené malými hodnotami zodpovedajúcich hodnôt.

Image
a
Image
, To predovšetkým znamená, že ~ 95, 4% vyrobených trojuholníkov vykazuje odchýlky vo veľkosti trojuholníkov a veľkosti medzier menej ako
Image
a
Image
z nominálnych hodnôt, resp. Ďalej sme si všimli, že posun distribúcie veľkosti trojuholníka a medzery z Δs , g = 0, odrážaný
Image
a
Image
, možno ľahko kompenzovať jemným nastavením dávky počas litografie elektrónovým lúčom. Podobné štrukturálne výskumy pre Au Bowtie nanoantennas na indexe vysokého lomu ( n GaAs = 3, 54 pri T = 297 K a E fotón = 1, 3 eV 45 ), polovodivé substráty GaA vykazujúce ešte užšie distribúcie s
Image
a
Image
sú uvedené v doplnkovom materiáli, obr. SM1. Dospeli sme k záveru, že sme zaviedli vysoko reprodukovateľný litografický postup pre motýle nanoantenód s motýlikom s výrobnou presnosťou ~ 10 nm , čo viedlo k vzniku reprodukovateľne vyrobených nanoantenónov s veľkosťou prvkov do 10 nm . Všimli sme si, že nanoantenóny motýľov s veľkosťou medzery g <10 nm sa nereprodukujú so 100% výťažkom kvôli medze rozlíšenia ~ 10 nm použitého systému elektrónových lúčov. Preto je možné získať medzeru pod 10 nm iba na základe štatistického prístupu a zobrazovaniu sa bráni najmä na nevodivých substrátoch v dôsledku nabíjacích účinkov. V optickej charakterizácii a porovnaní so zodpovedajúcimi simuláciami sme však mohli jasne rozlíšiť antény s medzerami menšími ako 10 nm od zoskupených antén, pretože zoskupené antény vedú k spektrálne rozmiestnenej lokalizovanej povrchovej plazmónovej polaritónovej rezonancii.

Image

a ) Horný riadok: Snímanie elektrónových mikroskopických snímok jednotlivých motýle nanoantenónov na sklenenom substráte pre s 0 = 140 nm ako funkcia menovitej veľkosti medzery 5 nm < g 0 <50 nm zľava doprava. Spodný riadok: Skenovanie elektrónových mikroskopických snímok jednotlivých motýle nanoantenónov na sklenenom substráte pre g 0 = 10 nm ako funkcia menovitej veľkosti trojuholníka 100 nm < s 0 <150 nm zľava doprava. Mierka, 50 nm . b ) Ľavý panel: štatistická analýza počtu motýlikov nanoantenónov ako funkcia odchýlky veľkosti trojuholníka s - s 0 . Pravý panel: Štatistická analýza počtu bowtie nanoantennas ako funkcie odchýlky veľkosti medzery g −g 0 .

Obrázok v plnej veľkosti

Na štúdium optickej odozvy jednotlivých nanoantenónov motýľa sme použili domáci konfokálny mikroskop, ktorý umožňuje meranie širokopásmovej (Δ λ ~ 400 - 1600 nm ) odrazivosti laserovej škvrny s obmedzeným difrakciou generovanej zdrojom superkontinuálneho žiarenia bieleho svetla. ako je schematicky znázornené na obrázku 2 (a). Budiaci lúč sa, pokiaľ nie je uvedené inak, lineárne polarizuje pozdĺž pozdĺžnej osi bowtie nanoantenna (definovanej ako os y na obrázku 1 a)), odráža sa od lúča lúčov a zaostruje sa na vzorku cez mikroskopický objektív. Odrazené svetlo sa zhromažďuje prostredníctvom toho istého objektívu, prenáša sa pomocou lúča lúčov a vedie sa cez optické vlákno do spektrometra. Viac podrobností o nastavení a použitých optických komponentoch nájdete v časti Metódy. Aby sme určili lokalizovanú povrchovú plazmónovú polaritónovú rezonanciu jednotlivej nanoantenny, uskutočnili sme dve následné merania; Najprv sme zmerali odrazivosť R na ( E ) z jednotlivého motýlika nanoantenna ako funkciu energie E, ako ukazuje červená krivka na obrázku 2 (b). Horná vložka tu zobrazuje obrázok svetelnej mikroskopie zaznamenaný v našom usporiadaní, ktorý zobrazuje nanoantenódy motýlika ( s 0 = 140 nm, g 0 = 10 nm ) usporiadané v periodickom poli s mriežkovou konštantou a = 1, 5 μm a biely svetelný excitačný bod zameraný na jednu anténu. V druhom kroku sme zaznamenali podobné spektrum odrazivosti R off ( E ) z miesta priestorovo posunutého z poľa nanoantenna bowtie, ako je znázornené spodnou vložkou na obrázku 2 (b) ako referencia. Zodpovedajúce spektrum R off ( E ) je vynesené modrou farbou. Z meraní R on ( E ) a R off ( E ) vypočítame diferenciálnu odrazivosť Δ R / R off ≡ ( R on - R off ) / R off , ktorá predstavuje mieru rozptýleného svetla z motýlika nanoantenna 46, Δ R / R off- Spectra stanovené z meraní odraznosti znázorneného na obrázku 2 (b) je uvedené na paneli (c). Pozorujeme špičkovú reakciu s rezonančným maximom y res pri rezonančnej energii E res , interpretovanej ako dipolárna lokalizovaná povrchová plazmónová polaritónová rezonancia skúmaného motýlika nanoantenna 39 . Ďalej môžeme zo spektra diferenciálnej odraznosti extrahovať celú šírku pri maximálnej polovici Γ res, a tak získať nahliadnutie do súvisiacej životnosti plazmónu Tpl prostredníctvom Tpl = 2

Image
/ Γ res 41, kde
Image
označuje zníženú Planckovu konštantu.

Image

a ) Schematické znázornenie nastavenia diferenciálnej odraznosti. b ) Namerané odrazivosti R on a R off pomocou zdroja superkontinuálneho bieleho svetla s obmedzenou difrakciou priestorovo umiestneného na a mimo jediného nanoantenna motýlika s s 0 = 140 nm a g 0 = 10 nm v červenom a modrom poradí. Vložky zobrazujú obrázky mikroskopického svetla v motýle a bielu laserovú škvrnu. Mierka, 1 μm . c) Diferenčná reflektivita Δ R / R off ako funkcia energie E vypočítaná zo spektier odraznosti uvedených v písmene b ).

Obrázok v plnej veľkosti

V nasledujúcom texte používame našu metódu na systematické štúdium optických vlastností jednotlivých bowtie nanoantenónov vyrobených na sklenených substrátoch aj na substrátoch GaAs ako funkciu s 0 a g 0 . Experimentálne získané A / R / R- offspektrá pre g 0 = 10 nm a veľkosti trojuholníka 100 nm < s 0 <150 nm v krokoch A s 0 = 10 nm sú uvedené na obrázku 3 (a) pre nanoantenódy motýlika na skle, Pozorujeme systematický posun lokalizovanej povrchovej plazmónovej polaritónovej rezonancie z E res = 1, 39 eV na vyššie energie E res = 1, 73 eV so znížením s 0, ktoré sa pripisuje zníženým retardačným účinkom vzrušujúceho elektromagnetického poľa a depolarizačného poľa vo vnútri kovových častíc 47, Modrý posun v E res je sprevádzaný klesajúcou maximálnou rezonanciou γ res z γ res = 1, 37 na γ res = 0, 67, čo je dôsledkom zmenšenia geometrického rozptylu prierezu antén so znižujúcim sa s0 . Na obrázku 3 (b) uvádzame zodpovedajúce simulácie konečnej časovej domény 44 rozptylového prierezu σ pre motýľové nanoantenódy na sklenenom substráte s g 0 = 10 nm, r c = 20 nm a meniacou sa veľkosťou trojuholníka 100 nm < s 0 <150 nm . Zistili sme, že E res a klesajúce y res s klesajúcou s 0, a to ako vo vynikajúcej kvalitatívnej aj kvantitatívnej zhode s našimi experimentálnymi výsledkami. Namerané a simulované údaje pre E res porovnávame ako funkciu s 0 a g 0 na obrázku 3 (c, d). Modré (čierne) symboly označujú experimentálne výsledky pre motýle nanoantennas na sklenenom substráte (GaAs), zatiaľ čo červené symboly predstavujú výsledky simulácie. Vo všeobecnosti pozorujeme porovnateľný lineárny (kubický) trend pre s 0 - ( g 0 -) závislosť motýľových nanoantenónov na skle a GaA s rýchlosťami posunu pre závislosť s 0 - (6, 8 ± 0, 3) meV / nm a - (6, 3 ± 0, 2) meV / nm . Globálny červený posun údajov GaAs AE ~ 0, 3 eV je spôsobený zvýšením indexu lomu An ~ 2, 0 v porovnaní so sklom 30 . Kubický

Image
správanie pozorované v závislosti od veľkosti medzery na obrázku 3 (d) je spôsobené interakciou v blízkom poli, opisujúcou väzbu povrchových plazmónov v dvoch susedných trojuholníkoch spojením účinných bodových dipólov 48 . Simulácie distribúcie priestorového elektromagnetického poľa pre podobné bowtie nanoantenódy sú uvedené v ref. 30. Ďalšie spektrá a zodpovedajúce simulované prierezy rozptylu pre závislosť g0 na skle a závislosť s0- a g0 na GaAs sú uvedené na obrázku SM2. V dôsledku toho sme experimentálne študovali lokalizované povrchové plazmónové polaritónové rezonancie pre jednotlivé bowtie nanoantenódy pomocou diferenciálnej odrazovej spektroskopie a získali sme vynikajúcu zhodu s numerickými simulaciami rozptylov rozptylu. Tento kombinovaný experiment experimentálnej simulácie nám umožňuje reprodukovateľne navrhnúť a deterministicky riadiť lokalizovanú povrchovú plazmónovú polaritónovú rezonanciu jednotlivých nanoantén.

Image

a ) Diferenčná odrazivosť Δ R / R off a b ) numericky simulovaný prierez rozptylu σ ako funkcia energie E pre veľkosti trojuholníka 100 nm < s 0 <150 nm a g 0 = 10 nm . ( c ) Lokálna povrchová plazmónová polaritónová rezonančná energia E res ako funkcia veľkosti trojuholníka s 0 pre g 0 = 10 nm na skle a substráte GaAs v modrej a čiernej farbe. ( d ) Lokálna povrchová plazmónová polaritónová rezonančná energia E res ako funkcia veľkosti medzery g 0 pre s 0 = 140 nm na skle a substráte GaAs v modrej a čiernej farbe. Červené symboly a krivky v ( c, d ) predstavujú výsledky simulácie.

Obrázok v plnej veľkosti

Ako je uvedené v predchádzajúcej časti, lokalizované povrchové plazmónové rezonancie polaritonov motýľových nanoantenónov silne závisia od veľkosti trojuholníka s 0 a veľkosti medzery g 0 . Aj keď sa ukázalo, že náš výrobný proces je vysoko reprodukovateľný, malé zmeny v s 0 a / alebo g 0 budú stále viesť k nezanedbateľným zmenám rezonancií lokalizovaného povrchového plazmónu polaritónu. Merania na súboroch bowtie nanoantennas, ako je uvedené v ref. Očakáva sa, že 30 bude mať zväčšené rezonančné čiary šírky pásma v dôsledku nehomogénneho rozšírenia vyvolaného veľkosťou a tvarom 46 . Na otestovanie tejto hypotézy porovnávame na obrázku 4 (a) dve typické spektrá diferenciálnej odraznosti zaznamenané od jednotlivca ( N = 1) a súboru ( N ~ 12) motýle nanoantennas na sklenenom substráte v modrej a čiernej. Tu N označuje počet bowtie nanoantenónov excitovaných súčasne pri meraniach diferenciálnej odraznosti. Na ľavom hornom a dolnom výreze na obrázku 4 (a) sú znázornené mikroskopické snímky motýľa s bielym svetlom s excitačnou škvrnou zdroja superkontinuálneho žiarenia bieleho svetla a halogénovou lampou pre jednotlivú spektroskopickú spektroskopiu. Spektrá diferenciálneho odrazu A / R / R pre merania jednotlivej a kompletnej antény vykazujú maximum pri porovnateľnej E res , pripisované lokalizovanej povrchovej plazmónovej rezonancii. Avšak zistilo sa, že zodpovedajúca rezonančná čiara Γ resonancie pre meranie jednotlivého motýlika nanoantenna je značne užšia v porovnaní so súbormi motýlika nanoantenna, zreteľne viditeľná na stupnici normalizovanej diferenciálnej odraznosti, ako je znázornené na obrázku 4 (a). Väčšia šírka pásma pre meranie súboru sa pripisuje nehomogénnemu rozšíreniu.

Image

a ) Diferenčná odrazivosť ΔR / R off ako funkcia energie E a veľkosti medzery g = 10 ± 3 nm pre motýlikový súbor a jednu motýlikovú nanoantennu na sklenenom substráte vynesenom čiernou a modrou. Vložky: (Vľavo) Svetelné mikroskopické snímky motýle sa osvetľujú halogénovým jahňacím a zdrojom superkontinuálneho bieleho svetla čiernou a modrou. (Vpravo) Rovnaké údaje sú uvedené na stupnici normalizovanej diferenciálnej odraznosti. b ) Celá šírka v polovici maximálnej šírky v závislosti od veľkosti trojuholníka s pre motýlikové komplety a jednoduché motýlek pre čierne a modré. Červené krivky predstavujú lineárne prispôsobenie sa údajom.

Obrázok v plnej veľkosti

Tento účinok sme systematicky zisťovali určovaním

Image
jednotlivých nanoantenónov motýľov s konštantnou hodnotou g = 10 ± 3 nm ako funkcia nameranej veľkosti trojuholníka s . Výsledky týchto meraní sú vynesené ako modré symboly na obrázku 4 (b). Červená čiara predstavuje lineárne prispôsobenie sa údajom, čo naznačuje systematické rozširovanie
Image
pre zvýšenie s od
Image
pri s ~ 100 nm až
Image
pri ~ 150 nm . Toto pozorované zvýšenie v%
Image
sa pripisuje zvýšenému tlmeniu žiarenia pri zvyšovaní veľkosti antény 49 . Ďalej uvádzame na porovnanie merania diferenciálnej odrazivosti uskutočňované na súboroch 30 Bowtie nanoantenna pre nominálne veľkosti 100 nm < s 0 <150 nm s A 0 = 10 nm ako čierne symboly na obrázku 4 (b). Okrem lineárneho zvýšenia v%
Image
so zvyšujúcim sa s 0 v dôsledku zvýšeného tlmenia žiarenia pozorujeme globálne posunutie
Image
pre merania súboru priradené k nehomogénnemu rozšíreniu, ktoré sa mení medzi Δ Γ res = 0, 07 eV a Δ Γ res = 0, 21 eV pre s ~ 100 nm a s ~ 150 nm . Poznamenávame, že neočakávané nekonštantné posunutie for Γ res pre zvyšujúce sa nie je možné vysvetliť na základe súčasných experimentov a vyžaduje ďalšie experimentálne a teoretické výskumy, ktoré budú uvedené inde. Celkovo naše výsledky demonštrujú vplyv malých odchýlok vo veľkosti trojuholníka s veľkosťou medzery g na lokalizovanú povrchovú plazmónovú polaritónovú rezonanciu motýľových nanoantén, a to napriek vysokej presnosti výroby dosiahnuteľnej pomocou najmodernejších nanotechnológií.

Nakoniec skúmame spojenie medzi časticami medzi lokalizovanými povrchovými plazmonovými polaritónmi v jednotlivých Au trojuholníkoch, ktoré tvoria motýlikový nanoantenna 30, 48 . Preto sme uskutočňovali merania diferenciálnej odraznosti na individuálnom motýle nanoantenna s s = 0 = 140 nm a g 0 = 10 nm ako funkciu uhla excitačnej polarizácie 9 . Tu je 9 definovaný ako uhol medzi vektorom elektrického poľa lineárne polarizovanej excitácie a dlhou osou motýlika nanoantenna, tj os y definovaná na obrázku 1 (a). Na obrázku 5 (a) je znázornený signál diferenciálnej odrazivosti AR / R off jedného motýlika nanoantenny kódovaný farebne ako funkcia energie E a uhla polarizácie excitácie 9 . Pozorujeme dve energeticky oddelené rezonancie pri E c = 1, 41 eV a E uc = 1, 75 eV pre θ c = (0 °, 180 °) a θ uc = (90 °, 270 °), ktoré pripisujeme spojenej a neviazané rezonancie nanotrianglov. Ec- rezonancia sa javí pri výrazne nižšej energii v porovnaní s rezonanciou jednotlivého nanotriangla E uc kvôli väzbe v blízkom poli medzi lokalizovanými povrchovými plazmonovými polaritónmi v dvoch trojuholníkoch 48 . Toto zistenie je v dobrej zhode s podobnými štúdiami o súboroch motýle nanoantenna ako funkcia veľkosti medzery 30, kde zväčšené veľkosti medzier vedú k zníženiu odpovede vyriešenej polarizáciou v dôsledku zníženej medzičasticovej väzby. Tento predpoklad podporujeme numerickými simuláciami prierezu rozptylu σ pre motýlikový nanoantenna s s 0 = 140 nm a g 0 = 10 nm . Porovnávame na obrázku 5 (b) výsledky simulácie pre spojený ( 9 c = 0 °, červená prerušovaná krivka) a neviazaný režim ( 9 uc = 90 °, červená plná krivka) s A / R / R off- spektrá zobrazené modrou farbou a zelenou farbou. Získame vynikajúcu kvalitatívnu a kvantitatívnu zhodu medzi experimentálnou a teoretickou rezonančnou energiou

Image
a
Image
a ich príslušná šírka pásma
Image
Image
a
Image
, Ďalej určíme z A / R / R off- spektra spriahnutého a neviazaného režimu, stupeň lineárnej polarizácie definovaný s ohľadom na yc ako
Image
, kde yc a ycc označujú zodpovedajúce signály diferenciálnej odraznosti na Ec a E uc , ako je uvedené na obrázku 2 (c). Na obrázku 5 (b) znázorňujeme ρ ako funkciu energie E ako sivé symboly a pozorujeme, ako v spojenom, tak aj v neviazanom režime, jasne lineárne polarizovanú emisiu s ρ c = 80% a ρ uc = −42%. Ďalej na obrázku 5 (c) znázorňujeme integrovaný A / R / R offsignál na Ec a E uc ako funkciu uhla excitačnej polarizácie 9 v modrej a zelenej. Pozorujeme jasnú antikoreláciu ΔR / R offsignálu medzi združeným a neodpojeným režimom, čo naznačuje, že rozptyľujú svetlo pozdĺž dlhých ( θ = 0 °) a krátkych osí ( θ = 90 °) bowtie nanoantenna, resp. Z našich zistení sme dospeli k záveru, že silné spojenie v blízkom poli vedie k značnému červenému posunu lokalizovanej povrchovej plazmónovej rezonancie pomocou Δ E ≡ | E uc - E c | = 340 meV v porovnaní s neviazanými nanotrianglami.

Image

a ) Diferenčná reflektivita Δ R / R off jednoduchého bowtie nanoantenna kódovaného farbou ako funkcia uhla 9 excitácie a energie E. ( b ) Diferenčná odrazivosť Δ R / R off ako funkcia energie E pre združený režim Ec a pre neviazaný režim E uc v modrej a zelenej farbe. Sivé symboly predstavujú stupeň lineárnej polarizácie

Image
ako funkcia energie E. Červené krivky znázorňujú zodpovedajúce simulácie oboch režimov. ( c ) integrovaná diferenciálna odrazivosť ako funkcia uhla excitácie polarizácie θ pre združený režim Ec a neodpojený režim E uc v modrej a zelenej farbe.

Obrázok v plnej veľkosti

diskusia

V súhrne sme predstavili komplexnú štúdiu o štrukturálnych a optických vlastnostiach jednotlivých Au bowtie nanoantennas definovaných elektrónovým lúčom litograficky na sklo a substráty GaAs. Preukázaný vysoko jednotný proces nanofabrikácie v kombinácii so zavedenou rýchlou a spoľahlivou diferenciálnou odrazovou spektroskopiou pripravuje pôdu pre motýliky na polovodičových substrátoch 30 s vysokým indexom lomu ako nevyhnutných stavebných blokoch budúcich opticky aktívnych polovodičovo-plazmonických integrovaných obvodov 43, 50 . Najmä integrácia antén s inými funkčnými optickými komponentmi, ako sú napríklad plazmmonické vlnovody 51, 52 alebo fotonické kryštály 52, 53, vyžaduje spolu s týmto vysokým stupňom kontroly a opakovateľnosti počas nanofabrikácie tiež rýchlu, lacnú a nedeštruktívnu spektroskopickú metódu na nezávisle testujú optickú odozvu jednotlivých plazmmonických jednotiek. Typické polovodiče ako arzenid gália a kremík vylučujú dobre zavedené techniky, ako napríklad „zoslabený celkový vnútorný odraz“ 4 a „experimenty prenosu“ 2, pretože obidva vyžadujú priehľadné substráty. Jednočasticová spektroskopia s použitím mikroskopu tmavého poľa 41 vyžaduje ponorné oleje, ktoré kontaminujú povrch vzorky, a teda modifikujú optické vlastnosti plazmonických nanočastíc. Na rozdiel od skenovania optickej mikroskopie blízkeho poľa 40, ktorá vyžaduje drahé vybavenie a zaznamenáva informácie sériovým spôsobom, demonštrovaná metóda diferenciálnej odraznosti spektroskopie ponúka rýchle a priame nahliadnutie do hlavných optických vlastností bowtie nanoantenónov a potenciálne tiež pracuje pri kryogénnych teplotách. Posledne menovaná vlastnosť sa stáva dôležitou pri spájaní plazmmonálnych antén s opticky aktívnymi žiaričmi zabudovanými v polovodičových substrátoch 54, 55 . V kombinácii s kontrolou nad polohou 56 antény a miestnymi elektrickými kontaktmi 13 to umožňuje vytvoriť dynamiku spontánnej emisie v takýchto hybridných polovodičovo-plazmonických nanosystémoch prostredníctvom dobre známeho Purcellovho efektu 57 . Zlepšenie je spojené s rezonančnou šírkou pásma rezonancie prostredníctvom takzvaného faktora kvality Q = E res / Γ res, a preto sú nanoštruktúry poskytujúce minimálnu šírku pásma priaznivé. Získané Q-faktory pre študované nanoantenódy motýlika sa pohybujú medzi 5 a 10 a sú v dobrej zhode so štúdiami chemicky syntetizovaných sférických Au nanočastíc 41 . Ďalšie numerické simulácie skrátených bowtie nanoantenónov sú uvedené na obrázku SM3, čo naznačuje ďalšie zlepšenie Γ res faktorom 1, 3 - 1, 5 x. Toto je dosiahnuté modifikáciou trojuholníkov motýle nanoantenna na „dvojvodičovú medzeru“ podobnej antény 13, 25, čo vedie k zníženiu objemu antény pri súčasnom udržiavaní rezonančnej energie konštantnej. Očakáva sa ďalšie zlepšenie Q -faktora použitím monokryštalických kovov v dôsledku zníženia Ohmických strát v kovu, ako sa nedávno ukázalo v odkazoch 58 a 59. Nakoniec je dobre známe, že Ag namiesto Au neumožňuje iba Ďalej zvyšujú povrchovú plazmonovú polaritónovú energiu, ale tiež vykazujú sľub znížených strát, pretože medzifázové prechody sú posunuté smerom k vyšším energiám 46 . Záverom sa domnievame, že naša štúdia predstavuje dôležitý krok smerom k manželstvu polovodičových zariadení a nanoplazmonálnym konceptom pri realizácii a optimalizácii účinných optických čipových nanoobvodov 60 .

metódy

Výroba a rozloženie vzoriek

Skúmané vzorky boli definované na poloizolačných doštičkách GaAs [100] alebo sklených podložkách (krycie sklíčka mikroskopu MENZEL). Po odštiepení sa vzorky prepláchli acetónom a izopropanolom (IPA). Aby sa dosiahla lepšia adhézia odporu e-lúča, vzorky sa umiestnili na horúcu platňu (170 ° C ) na 300 s . Odpor e-lúča (polymetylmetakrylát 950 K , AR-P 679, 02, ALLRESIST) bol potiahnutý pri 4 000 ot./min. Počas 40 s pri zrýchlení 2 000 ot./min. A vypálený pri 170 ° C po dobu 300 s , čím bola získaná hrúbka odporu 70 ± 5 nm . V prípade vzoriek skla sme odparili hliník s hrúbkou 10 nm na vrchnej časti polymetylmetakrylátovej vrstvy, aby sa zabránilo nabíjaniu počas písania elektrónovým lúčom. Vzorky boli osvetlené v systéme Raith E-line pomocou akceleračného napätia 30 kV a clony 10 μm . Test dávky sa uskutočnil pre každý výrobný cyklus, pretože tento rozhodujúci parameter závisí od meniaceho sa prúdu e-lúčov. Typické hodnoty boli 800 μC / cm2 pre GaAs a 700 μC / cm2 pre sklenené substráty. Po zapísaní e-lúča bola hliníková vrstva na sklenených vzorkách vyleptaná pomocou fotorezistovej vývojky neobsahujúcej kovové ióny (AZ 726 MIF, MicroChemicals). Všetky vzorky sa vyvíjali v metylizobutylketóne zriedenom IPA (1: 3) počas 45 s . Aby sa zastavil vývoj, vzorka sa prepláchla čistým IPA. Na metalizáciu sa použil odparovač s e-lúčmi na nanesenie 5 nm hrubej titánovej adhéznej vrstvy na sklo a 35 nm zlata na všetky substráty pri nízkej rýchlosti 1 Á / s . Vyťahovanie sa uskutočňovalo v 50 ° C teplom acetóne, pričom zostali pozostatky vysoko kvalitných nanoštruktúr s veľkosťou znakov rádovo 10 nm .

Štrukturálna charakterizácia

Aby sme určili geometrické parametre vyrobených nanoantén, urobili sme skenovacie snímky elektrónovej mikroskopie pomocou systému Raith E-line pri elektrónovom urýchľovacom napätí 5 kV a veľkosti otvoru 10 μm . Snímky sme zaznamenali prechodom z jednej antény na druhú a vykonaním jednorazového snímania, aby sa zabránilo účinkom nabíjania, ktoré sa vyskytujú najmä na vzorkách skla. Získané obrázky sa analyzovali ručne pomocou „editora anotácií Carl Zeiss SmartTiff“ (V1.0.1.2). Ako je uvedené v hlavnom texte, extrahovali sa ag z vyšetrení elektrónovou mikroskopiou s vysokým rozlíšením ~ 300 nanoantenód motýle bez akéhokoľvek predbežného výberu. Na kvantifikáciu polomeru špičky sme vyhodnotili 20 „špičiek s posuvnou medzerou“ horného trojuholníka a našli hodnotu r c = 14 ± 5 nm .

Optická spektroskopia

Pre optickú spektroskopiu sme použili buď superkontinuálny zdroj bieleho svetla (Fianium WhiteLase micro) pre štúdie s jednotlivými časticami alebo sme zhromaždili a kolimovali svetlo z halogénovej žiarovky (Philips Fiber Optic Lamp, Type 6423 XHP FO) pre kompletné merania. Oba lúče boli poslané cez lúčový lúč a apochromatický objektív s vysokou numerickou apertúrou ( NA = 0, 9) na zaostrenie svetla na povrch vzorky. Zistili sme, že veľkosť škvŕn bude

Image

a

Image
, resp. Vzorka bola umiestnená na piezo-stupňový stolík s otvorenou slučkou (Thorlabs NanoMax) v kombinácii s naklápacím stupňom, aby sa zabezpečilo presné umiestnenie a presné zarovnanie roviny kolmej na optickú cestu. Odrazené svetlo bolo zozbierané tým istým objektívom, prešlo cez rozptyľovač lúčov, vláknovú väzobnú jednotku a multimódové optické vlákno pred tým, ako bolo rozptýlené a analyzované v zobrazovacom spektrometri 0, 5 m (Princeton Insturments Acton SP2500i, mriežka: 300 l / mm ). Oba excitačné aj detekčné kanály boli vybavené lineárnymi polarizátormi (Thorlabs, LBVIS100-MP2) a A / 2-vlnovými doštičkami (Thorlabs, AHWP10M-980) namontovanými na počítačom riadených motorizovaných vzorkovacích stupňoch (Thorlabs, PRM1 / MZ8) na úpravu a analýzu polarizácie, Na meranie na skle (GaAs) sme použili 600 nm (800 nm ) dlhovrstvové filtre a Si-CCD - Princeton Instruments Spec-10 (InGaAs lineárne pole - Princeton Instruments, OMA V). Pri použití zdroja super kontinua na skúmanie nanoantenónov na GaA sme tiež nainštalovali vrubový filter s 1064 nm, aby sa potlačilo zvyškové svetlo zo semenného lasera, čo potenciálne môže poškodiť detektor InGaAs. Aby sme pokryli široký energetický rozsah diskutovaný v hlavnej časti tejto práce, zaznamenali sme vždy štyri spektrá rôznych centrálnych energií, ktoré sa neskôr zlúčili. Čas integrácie bol vždy nastavený na 1 s.

simulácia

Simulovali sme prierezy rozptylu motýlika nanoantenny pomocou komerčne dostupného riešiča konečných časových domén (Lumerical Solutions, Inc., FDTD solutions, verzia: 8.11.387). Dizajn simulačnej bunky je založený na tutoriáli o rozptyle Mie, ktorý sa nachádza na numerickej domovskej stránke 61 . Následne sme použili trojrozmernú simulačnú bunku, ktorá je zakončená dokonale zhodnými vrstvami. Motýlik bol modelovaný pomocou extrudovaného N- stranného rovnostranného polygónu so zaoblenými rohmi, ktorý je tiež uvedený na numerickej domovskej stránke 62 . Na excitáciu štruktúr sme na výpočet rozptylu rozptylu použili zdroj poľa s rozptýleným poľom celkom (TFSF) a monitor s rozptýleným poľom FDTD. V strede simulačnej bunky, tj okolo oblasti motýlika, sme použili veľkosť ôk 2 nm , zatiaľ čo vo vonkajších oblastiach bola hodnota nastavená na 4 nm . Použitý simulačný súbor je k dispozícii v doplnkovom materiáli.

Ďalšie informácie

Ako citovať tento článok : Kaniber, M. et al . Povrchová plazmónová rezonančná spektroskopia jednoduchých bowtiových nano-antén pomocou metódy diferenciálnej odraznosti. Sci. Rep. 6, 23203; doi: 10, 1038 / srep23203 (2016).

Doplnková informácia

Súbory PDF

  1. 1.

    Doplnková informácia

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.