Фотолюминесцентная спектроскопия
Фотолюминесце́нтная спектроскопи́я — вид оптической спектроскопии, основанный на измерении спектра электромагнитного излучения, испущенного в результате явления фотолюминесценции, вызванного в изучаемом образце, посредством возбуждения его электромагнитным излучением. Один из основных экспериментальных методов изучения оптических свойств материалов, и в особенности полупроводниковых микро- и наноструктур.
Суть метода заключается в том, что изучаемый образец облучается в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Поглощённые образцом кванты света, фотоны, возбуждают электроны, находящиеся в валентной зоне, что приводит к их переходу в зону проводимости. Далее электроны испытывают процессы релаксации и, постепенно теряя свою энергию, в конечном итоге, достигают нижней границы зоны проводимости или других незаполненных уровней энергии, где и рекомбинируют с дырками, испуская при этом фотоны с энергией, меньшей или равной энергии поглощенных фотонов. Спектр излученных волн, называемый спектром эмиссии, анализируется с помощью системы, состоящей из монохроматора, фотоэлектронного умножителя, АЦП и вычислительной машины. Таким образом, полученные спектры позволяют изучать структуру энергетических уровней вещества и многие другие аспекты физики полупроводников и других материалов.
Виды фотолюминесцентной спектроскопии
Существует несколько основных видов фотолюминесцентной спектроскопии и множество модификаций. Каждая методика позволяет изучать различные свойства образца, поэтому, для полного изучения одного образца нередко пользуются несколькими разными методиками.
Классическая фотолюминесцентная спектроскопия (PL)
В классической версии метода лазерный луч фокусируется в точку диаметром около миллиметра на поверхности образца. Излучённый свет собирается системой линз и фокусируется на входном отверстии монохроматора. Внутри монохроматора подвижная дифракционная решётка расщепляет свет так, что лишь фотоны определённой длины волны (или определённого узкого диапазона длин волн) направляются в детектор, представляющий собой ПЗС-матрицу. При этом лазерный луч, отражённый от поверхности образца, обрезается спектральным фильтром, установленным на входе в монохроматор. Постепенный поворот дифракционной решетки обеспечивает измерение интенсивности света на каждой длине волны рассматриваемого диапазона. Спектральное разрешение такой системы определяется дифракционной решёткой. Таким образом, в эксперименте измеряется спектр излучения, то есть зависимость интенсивности излучения от его длины волны (или энергии).
Микро-фотолюминесцентная спектроскопия (Micro-PL, PL)
Эта модификация фотолюминесцентной спектроскопии предназначена для изучения микро- и нанообъектов размером, не превышающих несколько микрометров. Основным отличием от классической методики является использование оптического объектива с 20-100-кратным увеличением для фокусировки лазерного луча на отдельно взятом нанообъекте. С этой целью поверхность подсвечивается вторым лучом света, который, отражаясь от поверхности, попадает вместе с отражённым лазерным лучом на видеокамеру, изображение с которой видит экспериментатор, что позволяет точно контролировать положение лазерного луча на поверхности образца. Установка микро-фотолюминесцентной спектроскопии устроена сложнее классической и требует более точной настройки, из-за необходимости одновременной фокусировки двух лучей света. С другой стороны, эта методика способна принести более точные результаты, т.к. работает с единичным нанообъектом, например нановискером, тогда как в классической методике лазер неизбежно возбуждает большое количество нанообъектов, находящихся на поверхности, что приводит к усреднению полученных результатов.
Время-разрешённая фотолюминесцентная спектроскопия (Time-resolved PL, TRPL)
Эта методика служит в основном для измерения времён жизни носителей заряда в материале. В данном методе возбуждение образца производится короткими лазерными импульсами, а измеряется затухание испущенного образцом излучения во времени. Для таких измерений вместо простой системы из монохроматора и детектора используется специальная электронно-оптическая камера (стрик-камера), а результатом измерений является двумерная картина зависимости интенсивности излучения от времени и его длины волны.
Фотолюминесцентная спектроскопия возбуждения (PLE)
Этот вид фотолюминесцентной спектроскопии отличается от классического тем, что образец возбуждается не на одной длине волны (то есть одним лазером), а последовательно различными длинами волн, в то время как детектируется излучение только на какой-то одной длине волны. Например, в случае изучения полупроводниковых структур, детектирование обычно проводится на длине волны, соответствующей ширине запрещённой зоны полупроводника, а возбуждение на длинах волн, равной и меньше этой. Для возбуждения на разных длинах волн, лазер обычно заменяется системой, состоящей из галогенной лампы или комбинации ксеноновой и дейтериевой[источник не указан 1053 дня] ламп и монохроматора возбуждения, позволяющего выбрать желаемую длину волны возбуждения. Данный метод позволяет эффективно изучать структуру энергетических уровней в образце, так как рекомбинация между разными энергетическими уровнями становится видна более отчётливо, нежели в других методах .
Низкотемпературная фотолюминесцентная спектроскопия
Все вышеперечисленные виды фотолюминесцентной спектроскопии могут проводиться при различных температурах (как правило, ниже комнатной) и в частности при температуре жидкого гелия (4К). С этой целью образец помещается в криостат, в котором создаётся вакуум и к образцу подводится жидкий гелий, охлаждающий образец. Имеющийся в криостате нагревательный элемент позволяет компенсировать охлаждение и таким образом контролировать температуру, поддерживая её на желаемом уровне.
Параметры фотолюминесцентной спектроскопии
При использовании фотолюминесцентной спектроскопии, как правило, смысл имеет проведение не единичного измерения, а серии экспериментов, при которых варьируется один или несколько параметров системы. Далее рассмотрены основные параметры, используемые в фотолюминесцентной спектроскопии для постановки таких серий экспериментов.
Мощность возбуждения
Проведение серии экспериментов с различными значениями мощности возбуждения образца имеет ключевую роль в фотолюминесцентной спектроскопии. В частности, в полупроводниках зависимость интенсивности излучения от мощности возбуждения показывает типы и каналы рекомбинации, и может служить индикатором наличия безызлучательной рекомбинации на дефектах и других процессов. Для контроля мощности возбуждения, как правило, используются нейтральные светофильтры понижающие исходную мощность лазера, которая, как правило, составляет 5—20 мВт.
Температура образца
Температура изучаемого образца также является ключевым параметром в фотолюминесцентной спектроскопии. Особый интерес представляют измерения при низкой температуре (4К), а также наблюдение изменений в спектре при изменении температуры. Например, измерение интенсивности излучения в зависимости от температуры (так называемый график Аррениуса) может давать представление о каналах рекомбинации в полупроводниках и позволяет оценить энергию активации и другие параметры. Измерение ширины пиков фотолюминесценции, как функции температуры, позволяет делать выводы о распределении носителей заряда в структуре. Таким образом можно проводить, например, измерения электрических полей, возникающих в наноструктурах и другие непрямые измерения. В целом, т.к. свойства полупроводников сильно зависят от температуры, то низкотемпературная спектроскопия играет важнейшую роль в изучении материалов и наноструктур.
Длина волны возбуждения
Явление фотолюминесценции в полупроводниковых образцах, за редким исключением, может происходить только при энергии возбуждения, большей (не резонансное возбуждение) или равной (резонансное возбуждение) ширине запрещённой зоны, то есть с длиной волны, меньшей или равной длине волны, соответствующей этой ширине. Как следствие, изучение полупроводниковых материалов с использованием разных длин волн представляет особый интерес. В частности, сравнение результатов измерений при резонансном и не резонансном возбуждениях может давать представления о процессах релаксации носителей заряда и наличии дефектов в образце. Также на изменении длины волны возбуждения основан метод фотолюминесцентной спектроскопии возбуждения (PLE), описанный выше.
Поляризация
Фотолюминесцентная спектроскопия позволяет проводить анализ поляризации поглощенного и испущенного излучения. С этой целью перед лазером и монохроматором соответственно устанавливаются поляризаторы. Изучая интенсивность излучения как функцию угла поворота поляризатора, можно сделать выводы о поляризационной анизотропии материала. Таким методом изучают, например, поляризацию нановискеров.
См. также
- Фотолюминесценция
- Оптическая спектроскопия
- Спектрофотометрия
- Ультрафиолетовая спектроскопия
- Инфракрасная спектроскопия
Литература
Марычев М.О., Горшков А.П. Практическое руководство по оптической спектроскопии твердотельных наноструктур и объёмных материалов. — Нижний Новгород, 2007. — С. 90.
Wickenden A.E. Photoluminescence Spectroscopy for Semiconductor Analysis. — Johns Hopkins University, 1989. — С. 260.
Примечания
- Hadj Alouane M.H. et al Excitonic properties of wurtzite InP nanowires grown on silicon substrate // Nanotechnology. Год 2013 — Т. 24 — С. 035704 — URL: https://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/24/3/035704
- Reynolds D. C. et al Time-resolved photoluminescence lifetime measurements of the Γ5 and Γ6 free excitons in ZnO // Journal of Applied Physics. Год 2000 — Т. 88 — С. 2152 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.1305546
- Anufriev R. et al Piezoelectric effect in InAs/InP quantum rod nanowires grown on silicon substrate // Applied Physics Letters. Год 2014 — Т. 104 — № 18 — С. 183101 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.4875276
- Anufriev R. at al Quantum efficiency of InAs/InP nanowire heterostructures grown on silicon substrates // Physica Status Ssolidi (RRL). Год. 2013 — Т. 7 — № 10 — С. 878—881 — URL: https://dx.doi.org/10.1002/pssr.201307242
- Anufriev R. et al Polarization properties of single and ensembles of InAs/InP quantum rod nanowires emitting in the telecom wavelengths // Journal of Applied Physics. Год 2013 — Т. 113 — № 19 — С. 193101 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.4804327
- Titova L. V. et al Temperature dependence of photoluminescence from single core-shell GaAs–AlGaAs nanowires // Applied Physics Letters. Год 2006 — Т.89 — С. 173126 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.2364885
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Фотолюминесцентная спектроскопия, Что такое Фотолюминесцентная спектроскопия? Что означает Фотолюминесцентная спектроскопия?
Fotolyuminesce ntnaya spektroskopi ya vid opticheskoj spektroskopii osnovannyj na izmerenii spektra elektromagnitnogo izlucheniya ispushennogo v rezultate yavleniya fotolyuminescencii vyzvannogo v izuchaemom obrazce posredstvom vozbuzhdeniya ego elektromagnitnym izlucheniem Odin iz osnovnyh eksperimentalnyh metodov izucheniya opticheskih svojstv materialov i v osobennosti poluprovodnikovyh mikro i nanostruktur Sut metoda zaklyuchaetsya v tom chto izuchaemyj obrazec obluchaetsya v vidimom infrakrasnom ili ultrafioletovom diapazone Pogloshyonnye obrazcom kvanty sveta fotony vozbuzhdayut elektrony nahodyashiesya v valentnoj zone chto privodit k ih perehodu v zonu provodimosti Dalee elektrony ispytyvayut processy relaksacii i postepenno teryaya svoyu energiyu v konechnom itoge dostigayut nizhnej granicy zony provodimosti ili drugih nezapolnennyh urovnej energii gde i rekombiniruyut s dyrkami ispuskaya pri etom fotony s energiej menshej ili ravnoj energii pogloshennyh fotonov Spektr izluchennyh voln nazyvaemyj spektrom emissii analiziruetsya s pomoshyu sistemy sostoyashej iz monohromatora fotoelektronnogo umnozhitelya ACP i vychislitelnoj mashiny Takim obrazom poluchennye spektry pozvolyayut izuchat strukturu energeticheskih urovnej veshestva i mnogie drugie aspekty fiziki poluprovodnikov i drugih materialov Vidy fotolyuminescentnoj spektroskopiiShema ustanovki klassicheskoj fotolyuminescentnoj spektroskopiiShema ustanovki mikro fotolyuminescentnoj spektroskopiiTipichnyj rezultat izmerenij v vremya razreshennoj fotolyuminescentnoj spektroskopii Po vertikalnoj osi otlozheno vremya sverhu vniz a po gorizontalnoj osi dlina volny izlucheniya Cvetom pokazana intensivnost izlucheniya Sushestvuet neskolko osnovnyh vidov fotolyuminescentnoj spektroskopii i mnozhestvo modifikacij Kazhdaya metodika pozvolyaet izuchat razlichnye svojstva obrazca poetomu dlya polnogo izucheniya odnogo obrazca neredko polzuyutsya neskolkimi raznymi metodikami Klassicheskaya fotolyuminescentnaya spektroskopiya PL V klassicheskoj versii metoda lazernyj luch fokusiruetsya v tochku diametrom okolo millimetra na poverhnosti obrazca Izluchyonnyj svet sobiraetsya sistemoj linz i fokusiruetsya na vhodnom otverstii monohromatora Vnutri monohromatora podvizhnaya difrakcionnaya reshyotka rassheplyaet svet tak chto lish fotony opredelyonnoj dliny volny ili opredelyonnogo uzkogo diapazona dlin voln napravlyayutsya v detektor predstavlyayushij soboj PZS matricu Pri etom lazernyj luch otrazhyonnyj ot poverhnosti obrazca obrezaetsya spektralnym filtrom ustanovlennym na vhode v monohromator Postepennyj povorot difrakcionnoj reshetki obespechivaet izmerenie intensivnosti sveta na kazhdoj dline volny rassmatrivaemogo diapazona Spektralnoe razreshenie takoj sistemy opredelyaetsya difrakcionnoj reshyotkoj Takim obrazom v eksperimente izmeryaetsya spektr izlucheniya to est zavisimost intensivnosti izlucheniya ot ego dliny volny ili energii Mikro fotolyuminescentnaya spektroskopiya Micro PL PL Eta modifikaciya fotolyuminescentnoj spektroskopii prednaznachena dlya izucheniya mikro i nanoobektov razmerom ne prevyshayushih neskolko mikrometrov Osnovnym otlichiem ot klassicheskoj metodiki yavlyaetsya ispolzovanie opticheskogo obektiva s 20 100 kratnym uvelicheniem dlya fokusirovki lazernogo lucha na otdelno vzyatom nanoobekte S etoj celyu poverhnost podsvechivaetsya vtorym luchom sveta kotoryj otrazhayas ot poverhnosti popadaet vmeste s otrazhyonnym lazernym luchom na videokameru izobrazhenie s kotoroj vidit eksperimentator chto pozvolyaet tochno kontrolirovat polozhenie lazernogo lucha na poverhnosti obrazca Ustanovka mikro fotolyuminescentnoj spektroskopii ustroena slozhnee klassicheskoj i trebuet bolee tochnoj nastrojki iz za neobhodimosti odnovremennoj fokusirovki dvuh luchej sveta S drugoj storony eta metodika sposobna prinesti bolee tochnye rezultaty t k rabotaet s edinichnym nanoobektom naprimer nanoviskerom togda kak v klassicheskoj metodike lazer neizbezhno vozbuzhdaet bolshoe kolichestvo nanoobektov nahodyashihsya na poverhnosti chto privodit k usredneniyu poluchennyh rezultatov Vremya razreshyonnaya fotolyuminescentnaya spektroskopiya Time resolved PL TRPL Eta metodika sluzhit v osnovnom dlya izmereniya vremyon zhizni nositelej zaryada v materiale V dannom metode vozbuzhdenie obrazca proizvoditsya korotkimi lazernymi impulsami a izmeryaetsya zatuhanie ispushennogo obrazcom izlucheniya vo vremeni Dlya takih izmerenij vmesto prostoj sistemy iz monohromatora i detektora ispolzuetsya specialnaya elektronno opticheskaya kamera strik kamera a rezultatom izmerenij yavlyaetsya dvumernaya kartina zavisimosti intensivnosti izlucheniya ot vremeni i ego dliny volny Fotolyuminescentnaya spektroskopiya vozbuzhdeniya PLE Etot vid fotolyuminescentnoj spektroskopii otlichaetsya ot klassicheskogo tem chto obrazec vozbuzhdaetsya ne na odnoj dline volny to est odnim lazerom a posledovatelno razlichnymi dlinami voln v to vremya kak detektiruetsya izluchenie tolko na kakoj to odnoj dline volny Naprimer v sluchae izucheniya poluprovodnikovyh struktur detektirovanie obychno provoditsya na dline volny sootvetstvuyushej shirine zapreshyonnoj zony poluprovodnika a vozbuzhdenie na dlinah voln ravnoj i menshe etoj Dlya vozbuzhdeniya na raznyh dlinah voln lazer obychno zamenyaetsya sistemoj sostoyashej iz galogennoj lampy ili kombinacii ksenonovoj i dejterievoj istochnik ne ukazan 1053 dnya lamp i monohromatora vozbuzhdeniya pozvolyayushego vybrat zhelaemuyu dlinu volny vozbuzhdeniya Dannyj metod pozvolyaet effektivno izuchat strukturu energeticheskih urovnej v obrazce tak kak rekombinaciya mezhdu raznymi energeticheskimi urovnyami stanovitsya vidna bolee otchyotlivo nezheli v drugih metodah Nizkotemperaturnaya fotolyuminescentnaya spektroskopiya Vse vysheperechislennye vidy fotolyuminescentnoj spektroskopii mogut provoditsya pri razlichnyh temperaturah kak pravilo nizhe komnatnoj i v chastnosti pri temperature zhidkogo geliya 4K S etoj celyu obrazec pomeshaetsya v kriostat v kotorom sozdayotsya vakuum i k obrazcu podvoditsya zhidkij gelij ohlazhdayushij obrazec Imeyushijsya v kriostate nagrevatelnyj element pozvolyaet kompensirovat ohlazhdenie i takim obrazom kontrolirovat temperaturu podderzhivaya eyo na zhelaemom urovne Parametry fotolyuminescentnoj spektroskopiiSpektr mikro fotolyuminescencii InAs InP kvantovoj tochki pri razlichnyh moshnostyah vozbuzhdeniyaSpektry mikro fotolyuminescencii InAs InP nanoviskera poluchennye pri polyarizatore povyornutom parallelno i perpendikulyarno nanoviskeru Pri ispolzovanii fotolyuminescentnoj spektroskopii kak pravilo smysl imeet provedenie ne edinichnogo izmereniya a serii eksperimentov pri kotoryh variruetsya odin ili neskolko parametrov sistemy Dalee rassmotreny osnovnye parametry ispolzuemye v fotolyuminescentnoj spektroskopii dlya postanovki takih serij eksperimentov Moshnost vozbuzhdeniya Provedenie serii eksperimentov s razlichnymi znacheniyami moshnosti vozbuzhdeniya obrazca imeet klyuchevuyu rol v fotolyuminescentnoj spektroskopii V chastnosti v poluprovodnikah zavisimost intensivnosti izlucheniya ot moshnosti vozbuzhdeniya pokazyvaet tipy i kanaly rekombinacii i mozhet sluzhit indikatorom nalichiya bezyzluchatelnoj rekombinacii na defektah i drugih processov Dlya kontrolya moshnosti vozbuzhdeniya kak pravilo ispolzuyutsya nejtralnye svetofiltry ponizhayushie ishodnuyu moshnost lazera kotoraya kak pravilo sostavlyaet 5 20 mVt Temperatura obrazca Temperatura izuchaemogo obrazca takzhe yavlyaetsya klyuchevym parametrom v fotolyuminescentnoj spektroskopii Osobyj interes predstavlyayut izmereniya pri nizkoj temperature 4K a takzhe nablyudenie izmenenij v spektre pri izmenenii temperatury Naprimer izmerenie intensivnosti izlucheniya v zavisimosti ot temperatury tak nazyvaemyj grafik Arreniusa mozhet davat predstavlenie o kanalah rekombinacii v poluprovodnikah i pozvolyaet ocenit energiyu aktivacii i drugie parametry Izmerenie shiriny pikov fotolyuminescencii kak funkcii temperatury pozvolyaet delat vyvody o raspredelenii nositelej zaryada v strukture Takim obrazom mozhno provodit naprimer izmereniya elektricheskih polej voznikayushih v nanostrukturah i drugie nepryamye izmereniya V celom t k svojstva poluprovodnikov silno zavisyat ot temperatury to nizkotemperaturnaya spektroskopiya igraet vazhnejshuyu rol v izuchenii materialov i nanostruktur Dlina volny vozbuzhdeniya Yavlenie fotolyuminescencii v poluprovodnikovyh obrazcah za redkim isklyucheniem mozhet proishodit tolko pri energii vozbuzhdeniya bolshej ne rezonansnoe vozbuzhdenie ili ravnoj rezonansnoe vozbuzhdenie shirine zapreshyonnoj zony to est s dlinoj volny menshej ili ravnoj dline volny sootvetstvuyushej etoj shirine Kak sledstvie izuchenie poluprovodnikovyh materialov s ispolzovaniem raznyh dlin voln predstavlyaet osobyj interes V chastnosti sravnenie rezultatov izmerenij pri rezonansnom i ne rezonansnom vozbuzhdeniyah mozhet davat predstavleniya o processah relaksacii nositelej zaryada i nalichii defektov v obrazce Takzhe na izmenenii dliny volny vozbuzhdeniya osnovan metod fotolyuminescentnoj spektroskopii vozbuzhdeniya PLE opisannyj vyshe Polyarizaciya Fotolyuminescentnaya spektroskopiya pozvolyaet provodit analiz polyarizacii pogloshennogo i ispushennogo izlucheniya S etoj celyu pered lazerom i monohromatorom sootvetstvenno ustanavlivayutsya polyarizatory Izuchaya intensivnost izlucheniya kak funkciyu ugla povorota polyarizatora mozhno sdelat vyvody o polyarizacionnoj anizotropii materiala Takim metodom izuchayut naprimer polyarizaciyu nanoviskerov Sm takzheFotolyuminescenciya Opticheskaya spektroskopiya Spektrofotometriya Ultrafioletovaya spektroskopiya Infrakrasnaya spektroskopiyaLiteraturaMarychev M O Gorshkov A P Prakticheskoe rukovodstvo po opticheskoj spektroskopii tverdotelnyh nanostruktur i obyomnyh materialov Nizhnij Novgorod 2007 S 90 Wickenden A E Photoluminescence Spectroscopy for Semiconductor Analysis Johns Hopkins University 1989 S 260 PrimechaniyaHadj Alouane M H et al Excitonic properties of wurtzite InP nanowires grown on silicon substrate Nanotechnology God 2013 T 24 S 035704 URL https dx doi org 10 1088 0957 4484 24 3 035704 Reynolds D C et al Time resolved photoluminescence lifetime measurements of the G5 and G6 free excitons in ZnO Journal of Applied Physics God 2000 T 88 S 2152 URL https dx doi org 10 1063 1 1305546 Anufriev R et al Piezoelectric effect in InAs InP quantum rod nanowires grown on silicon substrate Applied Physics Letters God 2014 T 104 18 S 183101 URL https dx doi org 10 1063 1 4875276 Anufriev R at al Quantum efficiency of InAs InP nanowire heterostructures grown on silicon substrates Physica Status Ssolidi RRL God 2013 T 7 10 S 878 881 URL https dx doi org 10 1002 pssr 201307242 Anufriev R et al Polarization properties of single and ensembles of InAs InP quantum rod nanowires emitting in the telecom wavelengths Journal of Applied Physics God 2013 T 113 19 S 193101 URL https dx doi org 10 1063 1 4804327 Titova L V et al Temperature dependence of photoluminescence from single core shell GaAs AlGaAs nanowires Applied Physics Letters God 2006 T 89 S 173126 URL https dx doi org 10 1063 1 2364885
