A fotolumineszcens spektroszkópia az optikai spektroszkópia egyik fajtája, amely a vizsgált mintában annak elektromágneses sugárzással történő gerjesztésével kibocsátott elektromágneses sugárzás spektrumának mérésén alapul . Az anyagok, különösen a félvezető mikro- és nanoszerkezetek optikai tulajdonságainak tanulmányozásának egyik fő kísérleti módszere .
A módszer lényege abban rejlik, hogy a vizsgált mintát látható, infravörös vagy ultraibolya tartományban sugározzák be. A minta által elnyelt fénykvantumok, a fotonok gerjesztik a vegyértéksávban elhelyezkedő elektronokat , ami a vezetési sávba való átmenethez vezet . Ezen túlmenően az elektronok relaxációs folyamatokat tapasztalnak, és fokozatosan elveszítve energiájukat, végül elérik a vezetési sáv alsó határát vagy más kitöltetlen energiaszinteket , ahol újra egyesülnek lyukakkal, miközben fotonokat bocsátanak ki, amelyek energiája kisebb vagy egyenlő, mint az elnyelt fotonok. A kibocsátott hullámok spektrumát, az úgynevezett emissziós spektrumot egy monokromátorból , fotosokszorozó csőből , ADC -ből és számítógépből álló rendszer segítségével elemzik . Így a kapott spektrumok lehetővé teszik az anyag energiaszintjei szerkezetének és a félvezetők és más anyagok fizikájának számos más vonatkozásának tanulmányozását.
A fotolumineszcens spektroszkópiának több fő típusa és számos módosítása létezik. Mindegyik technika lehetővé teszi a minta különböző tulajdonságainak tanulmányozását, ezért egy minta teljes vizsgálatához gyakran több különböző módszert alkalmaznak [1] .
A módszer klasszikus változatában a lézersugarat a minta felületén körülbelül egy milliméter átmérőjű pontra fókuszálják. A kibocsátott fényt egy lencserendszer gyűjti össze és a monokromátor bemeneti nyílására fókuszálja . A monokromátor belsejében egy mozgatható diffrakciós rács hasítja fel a fényt, így csak egy bizonyos hullámhosszú (vagy egy bizonyos szűk hullámhossz-tartományú) fotonok jutnak el a detektorhoz, amely egy CCD-tömb . Ebben az esetben a minta felületéről visszaverődő lézersugarat a monokromátor bejáratánál elhelyezett spektrális szűrő levágja. A diffrakciós rács fokozatos elforgatása biztosítja a fényintenzitás mérését a vizsgált tartomány minden hullámhosszán. Egy ilyen rendszer spektrális felbontását a diffrakciós rács határozza meg. A kísérlet tehát a sugárzási spektrumot méri, vagyis a sugárzás intenzitásának a hullámhosszától (vagy energiájától) való függését.
A fotolumineszcens spektroszkópia ezen módosítása néhány mikrométert meg nem haladó mikro- és nanoobjektumok vizsgálatára szolgál . A fő különbség a klasszikus technikához képest egy 20-100-szoros nagyítású optikai lencse használata a lézersugár egyetlen nanoobjektumra való fókuszálására. Ebből a célból a felületet egy második fénysugár világítja meg, amely a felületről visszaverődően a visszavert lézersugárral együtt egy videokamerára esik, amelyről a képet a kísérletvezető látja, ami lehetővé teszi a felületről visszaverődő lézersugár pontos szabályozását. a lézersugár helyzetét a minta felületén. A mikro-fotolumineszcens spektroszkópia telepítése bonyolultabb, mint a klasszikus, és pontosabb hangolást igényel, mivel két fénysugár egyidejű fókuszálása szükséges. Másrészt ez a technika pontosabb eredményt képes hozni, mert. egyetlen nano-objektummal működik, például egy nanobajszal , míg a klasszikus technikában a lézer elkerülhetetlenül nagyszámú, a felületen elhelyezkedő nanoobjektumot gerjeszt, ami a kapott eredmények átlagolásához vezet.
Ez a technika elsősorban az anyagban lévő töltéshordozók élettartamának mérésére szolgál [1] [2] . Ennél a módszernél a minta gerjesztését rövid lézerimpulzusokkal hajtják végre , és mérik a minta által kibocsátott sugárzás időbeli csillapítását. Az ilyen mérésekhez a monokromátorból és detektorból álló egyszerű rendszer helyett egy speciális elektron-optikai kamerát (csíkkamerát) használnak, és a mérési eredmény egy kétdimenziós kép a sugárzási intenzitás időfüggőségéről és annak mértékéről. hullámhossz.
Ez a fajta fotolumineszcencia spektroszkópia abban különbözik a klasszikustól, hogy a mintát nem egy hullámhosszon (vagyis egy lézerrel), hanem egymást követően különböző hullámhosszakkal gerjesztik, míg a sugárzást csak egy hullámhosszon detektálják. Például a félvezető szerkezetek tanulmányozása esetén a detektálást általában a félvezető sávszélességének megfelelő hullámhosszon, a gerjesztést pedig ezzel egyenlő vagy annál kisebb hullámhosszon végezzük. Különböző hullámhosszú gerjesztéshez a lézert általában egy halogénlámpából vagy xenon és deutérium kombinációjából álló rendszerrel helyettesítik. lámpák és egy gerjesztő monokromátor, amely lehetővé teszi a kívánt gerjesztési hullámhossz kiválasztását. Ez a módszer lehetővé teszi a mintában lévő energiaszintek szerkezetének hatékony tanulmányozását, mivel a különböző energiaszintek közötti rekombináció jobban láthatóvá válik, mint más módszerek [1] .
A fotolumineszcencia spektroszkópia fenti típusai mindegyike elvégezhető különböző hőmérsékleteken (általában szobahőmérséklet alatt), és különösen folyékony hélium hőmérsékleten (4 K ). Ebből a célból a mintát egy kriosztátba helyezik , amelyben vákuumot hoznak létre , és folyékony héliumot juttatnak a mintába, lehűtve a mintát. A kriosztátban található fűtőelem lehetővé teszi a hűtés kompenzálását és ezáltal a hőmérséklet szabályozását, a kívánt szinten tartva azt.
A fotolumineszcencia spektroszkópia alkalmazásakor általában nem egyetlen mérést célszerű elvégezni, hanem kísérletsorozatot, amelyben a rendszer egy vagy több paraméterét változtatják. Ezután megvizsgáljuk a fotolumineszcencia spektroszkópiában használt fő paramétereket az ilyen kísérletsorozatok felállításához.
A fotolumineszcencia spektroszkópiában kulcsszerepet játszik egy minta különböző gerjesztési teljesítményével végzett kísérletsorozat. A félvezetőkben a sugárzás intenzitásának a gerjesztési teljesítménytől való függése megmutatja a rekombináció típusait és csatornáit , és indikátorként szolgálhat a nem sugárzó rekombináció jelenlétére hibáknál és egyéb folyamatoknál [1] . A gerjesztési teljesítmény szabályozására általában semleges fényszűrőket használnak, amelyek csökkentik a kezdeti lézerteljesítményt, amely általában 5-20 mW.
A vizsgált minta hőmérséklete a fotolumineszcencia spektroszkópia kulcsparamétere is. Különösen érdekesek az alacsony hőmérsékleten (4K) végzett mérések, valamint a spektrum hőmérséklet változásának megfigyelése. Például a sugárzás intenzitásának mérése a hőmérséklet függvényében (az úgynevezett Arrhenius-diagram ) képet ad a félvezetők rekombinációs csatornáiról, és lehetővé teszi az aktiválási energia és egyéb paraméterek becslését [1] . A fotolumineszcencia csúcsok szélességének a hőmérséklet függvényében történő mérése lehetővé teszi a töltéshordozók szerkezeti eloszlására vonatkozó következtetések levonását. Így lehetőség nyílik például nanostruktúrákban keletkező elektromos mezők mérésére [3] és egyéb közvetett mérésekre is. Általában, mivel Mivel a félvezetők tulajdonságai erősen függnek a hőmérséklettől, az alacsony hőmérsékletű spektroszkópia fontos szerepet játszik az anyagok és nanostruktúrák vizsgálatában.
Félvezető mintákban a fotolumineszcencia jelensége ritka kivételektől eltekintve csak a sávrésnél nagyobb (nem rezonáns gerjesztés) vagy egyenlő (rezonáns gerjesztés) gerjesztési energiánál fordulhat elő , azaz a hullámhossznál kisebb vagy azzal egyenlő hullámhosszon. ennek a szélességnek megfelelő. Következésképpen a különböző hullámhosszúságú félvezető anyagok tanulmányozása különösen érdekes. Különösen a rezonáns és nem rezonáns gerjesztésnél végzett mérések eredményeinek összehasonlítása adhat betekintést a töltéshordozók relaxációs folyamataiba és a mintában lévő hibák jelenlétébe [4] . Szintén a gerjesztési hullámhossz változásán alapul a fent leírt fotolumineszcens gerjesztési spektroszkópiai (PLE) módszer.
A fotolumineszcens spektroszkópia lehetővé teszi az elnyelt és kibocsátott sugárzás polarizációjának elemzését. Ebből a célból polarizátorokat helyeznek el a lézer, illetve a monokromátor elé . A sugárzás intenzitását a polarizátor elfordulási szögének függvényében vizsgálva következtetéseket vonhatunk le az anyag polarizációs anizotrópiájára vonatkozóan. Ezzel a módszerrel például a nanobajuszok polarizációját vizsgálják [5] [6] .
Marychev M.O., Gorshkov A.P. Gyakorlati útmutató szilárd nanoszerkezetek és ömlesztett anyagok optikai spektroszkópiájához . - Nyizsnyij Novgorod, 2007. - S. 90.
Wickenden AE fotolumineszcencia spektroszkópia félvezető elemzéshez. - Johns Hopkins Egyetem, 1989. - S. 260.