[논문 리뷰] Non-radiative and radiative decays in nanogap emitting devices

Rémi Faggiani, Jianji Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 나노간극 발광소자에서 비편광 및 간극 플라스몬 붕괴 비율에 대한 폐쇄형 표현식을 제공하여 플라스모닉 나노안테나의 체계적 설계를 가능하게 한다. 특정 재료 조합에서는 간극 두께에 관계없이 방출 비율이 억제 손실을 초과할 수 있음을 보여주며, 방출 가속도와 광출사 효율을 최적화하기 위한 일반적인 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비편광 손실 균형에 대한 이해 부족으로 인해 나노간극 발광 장치에 대한 일반적인 설계 원칙이 부족한 데 대비하기 위해.
• 초박판 나노간극에서 비편광 손실 비율과 간극 플라스몬으로의 붕괴 비율에 대한 정확한 폐쇄형 표현식 유도.
• 방출 속도 가속도와 광출사 효율을 핵심 성능 지표로 삼아 나노간극 장치를 분류하기 위해.
• 자발적 방출 비율이 억제를 초월하는 재료 조합을 규명하여 간극 두께에 관계없이 효율적인 빛 방출이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 소규모 간극 두께의 극한에서 비편광 손실 비율과 간극 플라스몬으로의 붕괴 비율에 대한 폐쇄형 해석 수식 유도.
• 양자 발광체와 두 개의 금속 나노입자가 형성하는 나노간극 간의 상호작용을 전자기 이론을 통해 모델링.
• 금속 및 절연체의 재료에 따라 달라지는 유전율 함수를 통합하여 재료 선택이 붕괴 비율에 미치는 영향 평가.
• 성능 분류를 위해 두 가지 핵심 성능 지표인 방출 속도 가속도와 광출사 효율을 정의하고 계산.
• 최신 기술 수준의 나노큐브 기반 장치 가족에 유도된 수식 적용을 통한 분석.
• 다양한 재료 조합 간의 방출 동역학을 체계적으로 비교하여 최적의 구성 요소 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노간극 발광소자에서 1nm 이하의 간극을 가진 경우 폐쇄형 수식이 비편광 및 간극 플라스몬 붕괴 비율을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 나노간극 장치에서 총 자발적 방출 비율이 비편광 손실을 초월할 수 있는 재료 조건은 무엇인가?
• RQ3 다양한 나노간극 기하학적 형상과 재료에서 방출 속도 가속도와 광출사 효율은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 나노간극 내 방사성 및 비방사성 붕괴 경로의 균형에서 유도할 수 있는 일반적인 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 비편광 및 간극 플라스몬 붕괴 비율에 대한 폐쇄형 수식을 유도하여 나노간극 내 방출 동역학을 분석적으로 예측할 수 있게 되었다.
• 특정 금속 및 절연체 재료 조합에서는 간극 두께에 관계없이 총 자발적 방출 비율이 비편광 손실을 초월할 수 있음을 확인하였다.
• 방출 속도 가속도와 광출사 효율은 나노간극 발광소자 성능을 분류하고 최적화하기 위한 핵심 성능 지표로 규명되었다.
• 나노큐브 기반 금속 기반 장치 가족은 제안된 분류 프레임워크 내에서 그들의 방출 및 효율 특성에 기반해 위치가 정해졌다.
• 결과적으로 재료 선택이 비방사성 손실을 극복하고 나노간극 발광소자에서 효율적인 빛 방출을 가능하게 하는 데 결정적인 역할을 한다는 것이 입증되었다.