[論文レビュー] Quenching, plasmonic and radiative decays in nanogap emitting devices

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

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、10 nm未塔の金属ナノ粒子ギャップに配置された量子発光体を用いたナノギャップ発光素子における、減衰過程—クエンチング、プラズモン的、および放射的—の包括的な理論的分析を提供する。クエンチングおよびプラズモン励起の崩壊率に対する閉形式の式が導出され、特定の材料組み合わせではプラズモン的崩壊がクエンチングを上回ることを明らかにした。これにより、最適化された設計原理を有するナノキューブアンテナで高い光子放射効率が達成可能となる。

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), the design of light-emitting devices based on nanogaps is performed in a rather hazardous fashion; general intuitive 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 decay rate in gap plasmons can largely overcome quenching for specifically selected metallic and insulator materials, regardless of the gap size. To confront these theoretical predictions, we provide a comprehensive numerical analysis of nanocube-type antennas in the limit of small gap thickness and further provide upper bounds for the photon-radiation efficiency.

研究の動機と目的

• クエンチング、プラズモン的、および放射的崩壊率のバランスが曇っているため、ナノギャップ型発光素子の一般的な設計原則が不足している問題を解決すること。
• 10 nm未塔のギャップを有するナノギャップにおいて、クエンチングおよびプラズモン的崩壊率の正確で閉形式の式を提供すること。
• プラズモン的崩壊がクエンチングを上回る材料の組み合わせを特定し、高い光子放射効率を実現可能とすること。
• ナノキューブ型プラズモンアンテナにおける光子放射効率の上限を確立すること。
• 理論的および数値的分析を通じて、効率的なナノギャップ発光体の合理的設計を導くこと。

提案手法

• 小ギャップ極限におけるギャッププラズモンへのクエンチング率および崩壊率の閉形式解析的式の導出。
• 電磁気学的理論および電気双極子近似を用いて、ナノギャップ構造内における量子発光体の相互作用をモデル化すること。
• 理論的予測の妥当性を検証するため、金属および誘電体材料を変化させたナノキューブ型アンテナの数値シミュレーションを実施すること。
• 放射的崩壊、プラズモン励起、非放射的クエンチングの間でのエネルギー分配割合の分析。
• 導出された崩壊率式に基づき、光子放射効率の上限を計算すること。
• ギャップ厚さおよび材料パrameter（金属および誘電体）を系統的に変化させ、崩壊チャネルの競合に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノギャップにおけるプラズモン的崩壊がクエンチングを上回る条件は何か？ これにより効率的な発光が可能となる。
• RQ2 ナノギャップにおける金属および誘電体の材料選択が、放射的、プラズモン的、クエンチング崩壊チャネルのバランスにどのように影響するか？
• RQ3 閉形式の式は、10 nm未塔のナノギャップ構造における崩壊ダイナミクスを正確に予測できるか？
• RQ4 ナノキューブベースのナノギャップ発光体における光子放射効率の理論的上限は何か？
• RQ5 ナノギャップの幾何形状および材料選択をどれほど最適化すれば、放射発光を最大限に高められるか？

主な発見

• 特定の金属および誘電体材料の組み合わせでは、ギャップサイズにかかわらず、ナノギャップにおけるプラズモン的崩壊率がクエンチング率を顕著に上回ることがある。
• 小ギャップ極限におけるクエンチングおよびプラズモン的崩壊率の導出された閉形式式は、ナノギャップ発光体の挙動を正確に予測できる。
• ナノキューブアンテナにおいて、最大の光子放射効率は、プラズモン的崩壊の相対的強度がクエンチングに対してどの程度であるかに依存する。
• 材料選択、特に高品質な金属および低損失誘電体の選定により、非放射的クエンチングよりもプラズモン励起の優位性を高めることができる。
• 数値シミュレーションの結果、金属の内在的損失が低く、誘電体の屈折率が高い場合、プラズモン的崩壊がクエンチングを支配することが確認された。
• 本研究は、効率的な発光が幾何的設計だけでなく、戦略的な材料工学によっても達成可能であることを確立した。