In this work, we investigate polarization-dependent excitation of the propagating surface plasmon polariton (SPP) modes in gold nanowires (Au NWs) combined with gold nanoparticles (Au NPs). The light coupling from focused light to SPPs on Au NWs is investigated for different structural combinations of Au NWs with Au NPs, using full-wave finite-element numerical simulations. The results show that the excitation of SPPs changes remarkably on varying the orientation of the NP on NW or the polarization angle of the incident light. Metallic NWs combined with NPs can be applied to the polarization-resolved SPP coupling in various optical and optoelectronic devices including photonic circuits and optical sensors.
Kim, Geon Woo;Ko, Jae-Hyeon;Park, Doo Jae;Choi, Seong Soo;Kim, Hyuntae;Choi, Soo Bong
Journal of the Korean Physical Society
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제73권11호
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pp.1698-1702
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2018
We simulate the light transmission through an extremely small nanoscale aperture having a 10 nm diameter punctured in a metal film positioned at the center of a plasmonic bull's eye grating. A considerable directive emission of transmitted light with a divergence angle of 5.7 degrees was observed at $10{\mu}m$ from the nanohole opening at the frequency of surface plasmon polariton excitation, an confirmed by measuring the distance dependent transmission amplitude. Observations of the electric field in cross-sectional, near-field, and far-field views near-field enhancement associated with the surface plasmon excitation, and the interference of the electric field light through the nanohole in the near-field region is responsible for such a considerable directive emission.
Recently, InGaN/GaN multi-quantum well grown on GaN pyramid structures have attracted much attention due to their hybrid characteristics of quantum well, quantum wire, and quantum dot. This gives us broad band emission which will be useful for phosphor-free white light emitting diode. On the other hand, by using quantum dot emission on top of the pyramid, site selective single photon source could be realized. However, these structures still have several limitations for the single photon source. For instance, the quantum efficiency of quantum dot emission should be improved further. As detection systems have limited numerical aperture, collection efficiency is also important issue. It has been known that micro-cavities can be utilized to modify the radiative decay rate and to control the radiation pattern of quantum dot. Researchers have also been interested in nano-cavities using localized surface plasmon. Although the plasmonic cavities have small quality factor due to high loss of metal, it could have small mode volume because plasmonic wavelength is much smaller than the wavelength in the dielectric cavities. In this work, we used localized surface plasmon to improve efficiency of InGaN qunatum dot as a single photon emitter. We could easily get the localized surface plasmon mode after deposit the metal thin film because lnGaN/GaN multi quantum well has the pyramidal geometry. With numerical simulation (i.e., Finite Difference Time Domain method), we observed highly enhanced decay rate and modified radiation pattern. To confirm these localized surface plasmon effect experimentally, we deposited metal thin films on InGaN/GaN pyramid structures using e-beam deposition. Then, photoluminescence and time-resolved photoluminescence were carried out to measure the improvement of radiative decay rate (Purcell factor). By carrying out cathodoluminescence (CL) experiments, spatial-resolved CL images could also be obtained. As we mentioned before, collection efficiency is also important issue to make an efficient single photon emitter. To confirm the radiation pattern of quantum dot, Fourier optics system was used to capture the angular property of emission. We believe that highly focused localized surface plasmon around site-selective InGaN quantum dot could be a feasible single photon emitter.
다양한 응용분야를 가진 국부적인 표면플라즈몬 공명 특성을 손쉽게 제어할 수 있는 기술 개발은 매우 중요하다. 또한, 금속 나노입자의 형태, 크기, 그리고 조합에 관한 세심한 조사는 공명특성과 금속 나노구조의 관계를 이해하는데 매우 유용하다. 본 논문은 블록공중합체 마이셀 박막필름으로부터 얻어진 금속나노입자 배열에 따른 국부적인 표면플라즈몬의 공명특성에 관한 연구이다. 우선 전통적인 방법의 블록공중합체 리소그라피를 통해 두 가지 다른, 점 형태 및 링 형태, 금 나노입자를 제조하였다. 그 다음 은거울 반응을 통하여 금 나노입자위에 은이 둘러 쌓이도록 금/은 이중금속 나노구조를 구현했다. 금속 나노 구조체 조절을 위해 에탄올 전처리, 은거울 반응 시간, 블록공중합체의 제거 유무 등의 공정변수를 변화시켰다. 초기 금 나노입자가 잘 제조된 경우 항상 금나노입자 표면에 적절히 은이 잘 형성되었고, 이는 UV-Vis 실험에서 각 금속나노 입자의 고유 플라즈몬 밴드인 금 525nm, 은 420nm에서 각각 나타났다. 하지만 최초 적은 양의 금 나노입자가 제조되었을 경우 은 도금 속도가 빨라져서, 초기 금 나노입자의 표면을 은이 완전히 덮었으며, 이는 UV-Vis 실험에서 금의 플라즈몬 밴드는 나타나지 않고, 은의 고유 플라즈몬 밴드만 420nm에서 나타났다. 블록공중합체로부터 미리 합성된 금나노입자 위에 은을 도금하는 방법은 국부적인 표면플라즈몬 특성을 면밀히 조사하는데 매우 유용하다.
Plasmon subwavelength nanostructures enable the structurally modulated color due to the resonance conditions for the specific wavelength range of light with the nanoscale hole arrays on a metal layer. While the unique properties offered from a single layer of metal may open up the potential applications of integrated devices to displays and sensors, fabrication requirements in nanoscale, typically on the order of or smaller than the wavelength of light in a corresponding medium can limit the cost-effective implementation of the plasmonic nanostructures. Simpler nanoscale replication technologies based on the soft lithography or roll-to-roll nanoimprinting can introduce economically feasible manufacturing process for these devices. Such replication requires an optimal design of a master template to produce a stamp that can be applied for a roll-to-roll nanoimprinting. In this paper, a master mold with subwavelength nanostructures is fabricated and optimized using focused ion beam for the applications to nanoimprinting process. Au thin film layer is deposited by sputtering on a glass that serves as a dielectric substrate. Focused ion beam milling (FIB, JEOL JIB-4601F) is used to fabricate surface plasmon subwavelength nanostructures made of periodic hole arrays. The light spectrum of the fabricated nanostructures is characterized by using UV-Vis-NIR spectrophotometer (Agilent, Cary 5000) and the surface morphology is measured by using atomic force microscope (AFM, Park System XE-100) and scanning electron microscope (SEM, JEOL JSM-7100F). Relationship between the parameters of the hole arrays and the corresponding spectral characteristics and their potential applications are also discussed.
Choi, Hyung-Y.;Guerrero, Michael S.;Aquino, Michael;Kwon, Chu-Hee;Shon, Young-Seok
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제31권2호
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pp.291-297
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2010
This article introduces a facile nanoparticle self-assembly/annealing method for the preparation of nanoisland films. First, nanoparticle-polymer multilayer films are prepared with layer-by-layer assembly. Nanoparticle multilayer films are then annealed at $~500^{\circ}C$ in air to evaporate organic matters from the films. During the annealing process, the nanoparticles on the solid surface undergo nucleation and coalescence, resulting in the formation of nanostructured gold island arrays. By controlling the overall thickness (number of layers) of nanoparticle multilayer films, nanoisland films with various island density and different average sizes are obtained. The surface property of gold nanoisland films is further controlled by the self-assembly of alkanethiols, which results in an increased surface hydrophobicity of the films. The structure and characteristics of these nanoisland film arrays are found to be quite comparable to those of nanoisland films prepared by vacuum evaporation method. However, this self-assembly/annealing protocol is simple and requires only common laboratory supplies and equipment for the entire preparation process.
This paper proposes a specific sensor-design strategy and the possibility of improving the sensing performance, which can be obtained by replacing part of the existing plasmonic sensor based on the Kretschmann configuration method with an effective refractive-index layer. By replacing the metal layer with an effective refractive-index layer composed of gold and the material to be sensed, an improvement in the detection performance, accompanied by an increase in the sensed incident angle, is observed, and the gold-composition ratio that demonstrates the best result is presented. Subsequently, an increase in the sensed incident angle generated in the previous step can be suppressed by randomly etching a portion of the prism adjacent to the metal layer in a sub-wavelength scale. Finally, this study analyzes the optimization of the metal-layer thickness in a given sensor structure. An effective refractive thin-film surface plasmon resonance sensor design that can achieve optimal sensing performance is then proposed.
Label-free, sensitive and selective detection methods with high spatial resolution are critically required for future applications in chemical sensor, biological sensor, and nanospectroscopic imaging. Here I describe the development of Plasmon Resonance Energy Transfer (PRET)-based molecular imaging in living cells as the first demonstration of intracellular imaging with PRET-based nanospectroscopy. In-vivo PRET imaging relied on the overlap between plasmon resonance frequency of gold nanoplasmonic probe (GNP) and absorption peak frequencies of conjugated molecules, which leads to create 'quantized quenching dips' in Rayleigh scattering spectrum of GNP. The position of these dips exactly matched with the absorption peaks of target molecules. As another innovative application of PRET, I present a highly selective and sensitive detection of metal ions by creating conjugated metal-ligand complexes on a single GNP. In addition to conferring high spatial resolution due to the small size of the metal ion probes (50 nm in diameter), this method is 100 to 1,000 folds more sensitive than organic reporter-based methods. Moreover, this technique achieves high selectivity due to the selective formation of Cu2+complexes and selective resonant quenching of GNP by the conjugated complexes. Since many metal ion ligand complexes generate new absorption peak due to the d-d transition in the metal ligand complex when a specific metal ion is inserted into the complex, we can match with the scattering frequency of nanoplasmonic metal ligand systems and the new absorption peak.
Metal nano-crystals have been received much attentions owing to their excellent catalytic property and surface plasmon effect. In the last decade, many studies on synthesizing well-dispersive nanoparticles and on understanding their distinct physical properties have been performed. There were tremendous reports revealing the electrochemical activities and enhancement of surface plasmonic effect were dependent mainly on the size, shape, and composition. So far, most fabrication methods have been based on vacuum based deposition techniques, such as chemical vapor deposition and electron-beam evaporation, and then annealed them to transform into the nanoparticles. Recently, there were several reports regarding to the photoinduced nano-crystal synthesis as an effective way to produce the metal nanoparticles. In this study, we report synchrotron x-ray mediated synthesis of Au nanoparticles on ZnO nanowires. ZnO nanowires were fabricated by hydrothermal method, and then they were dip into a solution having Au clusters. Detailed structural evolution of Au nanoparticles was investigated using scanning electron microscopy and photoluminescence measurements. The results on formation of well-dispersive Au nanoparticles on ZnO nanowires will be presented.
Kim, Nak-Hyeon;Byun, Kyung Min;Hwang, Seoyoung;Lee, Yena;Jun, Sang Beom
Journal of the Optical Society of Korea
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제18권2호
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pp.174-179
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2014
Since in vitro neural recording and imaging applications based on a surface plasmon resonance (SPR) technique have expanded dramatically in recent years, cytotoxicity assessment to ensure the biosafety and biocompatibility for those applications is crucial. Here, we report the cytotoxicity of the SPR substrate incorporating a flint glass whose refractive index is larger than that of a conventional crown glass. A high refractive index glass substrate is essential in neural signal detection due to the advantages such as high sensitivity and wide dynamic range. From experimental data using primary hippocampal neurons, it is found that a lead-based flint glass is not appropriate as a neural recording template although the neuron cells are not directly attached to the toxic glass. We also demonstrate that the adhesion layer between the glass substrate and the gold film plays an important role in achieving the substrate stability and the cell viability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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