Enhanced light-matter interactions in light-confining structures have been extensively investigated for both fundamental studies and practical applications. Plasmonic nanostructures, which can confine and manipulate light down to 1 nm scale, are becoming increasingly important. Many areas of optical physics and devices can benefit from such extreme light concentration and manipulation. For example, quantum dot (QD) emission can be strongly modified and controlled via the coupling with localized Surface plamsons (LSP). In this dissertation, we present our theoretical and experimental studies on QD emission by metal nanoparticle that can provide extreme field concentration, enhancing light-matter interactions significantly.
The surface plasmon enhanced emission of QDs is studied firstly. The maximum emission enhancement of the QDs-Au NPs appears in the resonance condition in which the optical emission frequency is consistent with the SPR peak with the 12-nm separation between them. The contributions of the excitation enhancement, SP-field enhancement, and the Purcell effect were analyzed using three-level rate equations. Both of SP-field enhancement and Purcell effect at the emission frequency which modified the spontaneous emission rate with increasing pumping power. These complex processes are observed by power-dependent-emission enhancement measurement. Maximum emission rate below the saturation is obtained when the pumping power is between 0.8 and 1 mW. It is important to select the appropriate pumping power when seeking to obtain the maximum level of enhancement in semiconductor QDs and metallic NP nanocomposites.
Next, the enhancement of white light emission from quantum-dot with InGaN light-emitting diodes via localized surface plasmon resonance of metallic nanoparticles is investigated and demonstrated. Since the LSP resonant wavelength depends strongly on the dimensions of MNPs, enhancement over a wide range of wavelengths in the visible spectrum is expected. Different metallic nanoparticles were experimented. is found that metallic nanoparticles produce the strongest enhancement on the spectral peaks within the blue and green range, Ag based nanoparticle is responsible for scattering the blue light from the LED chip and Au NPs gives enhancement of green QDs. MNPs result in an increase in the color conversion efficiency and light extraction of the quantum-dot-coated LEDs.
빛을 국한시키는 구조에서 일어나는 향상된 빛-물질 상호작용의 실용적인 근본적인 연구와 실용적인 응용에 대해 광범위하게 조사하였다. 빛을 국한시키고 1nm 단위까지 조작할 수 있는 프라즈모닉 나노구조는 점차 중요해지고 있다. 극단적인 ‘light concentration’ 과 빛을 조작함은 광학 물리학 및 장치의 많은 부분에 혜택을 줄 수 있다. 예를 들어, 국소적인 표면 plasmon (LSP) 와의 커플링을 통해 양자점 (QD)의 빛 방출을 완화시킬 수 있다. 이 논문에서 우리는 금속 나노입자가 극한적 field 밀도를 증가시킴으로 인한 양자점 빛 방출에 관한 빛-물질 상호작용에 대한 이론적, 실험적 연구를 소개한다. 표면 플라즈몬에 의한 양자점 빛 방출 향상을 먼저 연구하였다. QDs-Au NP의 최대 빛 방출 향상은 광 방출 주파수가 그들 사이에 12nm 거리 차이와 SPR peak가 일치하는 공명 조건이 이루어 질때 나타난다. 여기 향상, SP-field 향상 그리고 Purcell 효과의 기여는three-level rate equation을 사용하여 분석하였다. 빛 방출 주파수에서의 SP-field 향상과 Purcell 효과가 모두 pumping power가 증가함에 따라 자발적 방출률를 변형시켰다. 이러한 복잡한 프로세스는 광방출향상의 파워의존성을 측정하는 방법으로 관찰할 수 있다. 여기파워가 0.8 에서 1 mW 사이일때에 채도 아래 최대 방출 율이 얻어진다. 반도체 양자점 및 금속 nanocomposites의 최대 향상을 얻고자 할 때 적절한 여기파워를 선택하는 것이 중요하다.
다음으로, 금속 나노입자의 국소적인화된 표면 플라즈몬의 공명을 통한 InGaN LED 와 양자점에서 백생 광 방출의 향상을 조사하고 입증하였다. LSP 공진 파장은 금속나노입자의 크기에 많이 의존하기 때문에 넓은 가시광선 영역의 파장에서의 향상이 기대된다. 서로 다른 금속 나노입자들에 대한 실험이 진행되었다. 금속 나노입자는 청색과 녹색 범위 내에서 스펙트럼 에 대한 가장 강한 향상을 보였으며, 은을 기반으로하는 나노입자는 LED 칩에서 파란 빛 산란 현장을 일으키고, 금을 기반으로 하는 나노입자는 녹색빛 양자 점을 향상시킨다. 금속 나노입자는 양자점으로 코팅된 LED의 빛 추출 효율과 색상 변환 효율의 증가를 가져온다.