[論文レビュー] Non-radiative and radiative decays in nanogap emitting devices

Rémi Faggiani, Jianji Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ナノギャップ発光素子におけるクエンチングおよびギャッププラズモンの崩壊レートの閉形式式を提供し、プラズモニックナノアンテナの体系的設計を可能にする。特定の材料組み合わせでは、ギャップサイズにかかわらず、発光レートがクエンチング損失を上回ることを示しており、発光加速と抽出効率を最適化する一般的なフレームワークを提供する。

ABSTRACT

By placing a quantum emitter in the mouths of nanogaps consisting of two metal nanoparticles nearly into contact, significant increases in emission rate are obtained. This mechanism is central in the design of modern plasmonic nanoantennas. However, due to the lack of general knowledge on the balance between the different decay rates in nanogaps (emission, quenching, and metal absorption), nanoantenna design is performed in a rather haphazard fashion and relies on repeated numerical calculations; general intuitive design recipes do not presently exist. With accurate and simple closed-form expressions for the quenching rate and the decay rate into gap plasmons, we provide a comprehensive analysis of nanogap light emitting devices in the limit of small gap thickness. We disclose that the total spontaneous emission rate of quantum emitters in nanometer-thin gaps can largely overcome quenching, for specifically selected metallic and insulator materials, regardless of the gap size. Furthermore, to help further designs, we propose a classification of nanogap emitting devices based on two important figures of merit, the emission rate acceleration and the extraction efficiency, and further position a whole family of state-of-the-art devices based on nanogaps formed by nanocubes laying on metallic substrates in the classification.

研究の動機と目的

• クエンチング損失のバランスに関する理解が不十分であるため、ナノギャップ発光デバイスの一般的な設計原則が不足している問題に対処すること。
• 超薄いナノギャップにおけるクエンチングレートおよびギャッププラズモンへの崩壊レートの正確な閉形式式を導出すること。
• 発光レートの加速と抽出効率を主要な指標として用いた、ナノギャップデバイスの分類を確立すること。
• 自発的発光レートがクエンチングを上回る材料の組み合わせを特定し、ギャップ厚さに依存しない効率的な光放出を可能にする。

提案手法

• 極めて薄いギャップ厚さの極限において、クエンチングレートおよびギャッププラズモンへの崩壊レートの閉形式解析的式の導出。
• 量子発光体と2つの金属ナノ粒子が形成するナノギャップとの相互作用を電磁気学的理論でモデル化すること。
• 金属および誘電体の材料依存の誘電関数を組み込み、材料選択が崩壊レートに与える影響を評価すること。
• デバイス性能の分類に用いる2つの主要な指標（発光レート加速と抽出効率）の定義と計算。
• 導出された式を、金属基板上にナノキューブを配置した最先端デバイス群の分析に適用すること。
• 異なる材料組み合わせにおける発光ダイナミクスの体系的比較を通じて、最適な構成を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉形式式は、サブナノメートルギャップを有するナノギャップ発光素子におけるクエンチングおよびギャッププラズモン崩壊レートを正確に記述できるか？
• RQ2 どのような材料条件下で、ナノギャップデバイスにおける総自発的発光レートがクエンチング損失を上回るか？
• RQ3 発光レート加速と抽出効率は、異なるナノギャップ幾何形状および材料でどのように変化するか？
• RQ4 ナノギャップにおける放射的および非放射的崩壊経路のバランスから、どのような一般的な設計原則を導出できるか？

主な発見

• クエンチングおよびギャッププラズモン崩壊レートの閉形式式が導出され、ナノギャップ内での発光ダイナミクスの解析的予測が可能になった。
• 金属および誘電体材料の特定の組み合わせでは、ギャップ厚さにかかわらず、ナノギャップデバイスにおける総自発的発光レートがクエンチング損失を上回ることが示された。
• 発光レート加速と抽出効率は、ナノギャップ発光素子の性能分類と最適化に不可欠な指標であることが同定された。
• 金属基板上にナノキューブを配置した最先端デバイス群が、その発光および効率特性に基づき、提案された分類フレームワーク内に位置づけられた。
• 結果から、材料選択が非放射的損失を克服する上で決定的役割を果たし、ギャップ幅に依存しない効率的な光放出を実現可能であることが示された。