Fotoluminesenssispektroskopia on eräänlainen optinen spektroskopia , joka perustuu tutkittavaan näytteeseen virittämällä sitä sähkömagneettisella säteilyllä aiheuttaman fotoluminesenssiilmiön seurauksena emittoidun sähkömagneettisen säteilyn spektrin mittaamiseen. Yksi tärkeimmistä kokeellisista menetelmistä materiaalien ja erityisesti puolijohteiden mikro- ja nanorakenteiden optisten ominaisuuksien tutkimisessa .
Menetelmän ydin on siinä, että tutkittua näytettä säteilytetään näkyvällä, infrapuna- tai ultraviolettialueella . Näytteen absorboimat valokvantit, fotonit , kiihottavat valenssikaistalla olevia elektroneja , mikä johtaa niiden siirtymiseen johtavuuskaistalle . Lisäksi elektronit kokevat relaksaatioprosesseja ja vähitellen energiaansa menettäen saavuttavat lopulta johtavuuskaistan alarajan tai muut täyttämättömät energiatasot , missä ne yhdistyvät uudelleen reikiin, samalla kun ne emittoivat fotoneja, joiden energia on pienempi tai yhtä suuri kuin absorboituneet fotonit. Emitoituneiden aaltojen spektri, jota kutsutaan emissiospektriksi , analysoidaan käyttämällä järjestelmää, joka koostuu monokromaattorista , valomonistinputkesta , ADC :stä ja tietokoneesta. Siten saadut spektrit mahdollistavat aineen energiatasojen rakenteen ja monien muiden puolijohteiden ja muiden materiaalien fysiikan näkökohtien tutkimisen.
Fotoluminesenssispektroskopialla on useita päätyyppejä ja monia muunnelmia. Jokaisen tekniikan avulla voit tutkia näytteen erilaisia ominaisuuksia, joten yhden näytteen täydelliseen tutkimukseen käytetään usein useita eri menetelmiä [1] .
Menetelmän klassisessa versiossa lasersäde kohdistetaan halkaisijaltaan noin millimetrin pisteeseen näytteen pinnalla. Säteilevä valo kerätään linssijärjestelmällä ja kohdistetaan monokromaattorin sisääntuloaukkoon . Monokromaattorin sisällä liikkuva diffraktiohila jakaa valon siten, että vain tietyn aallonpituuden (tai tietyn kapea-alueen) fotoneja lähetetään ilmaisimeen, joka on CCD-ryhmä . Tässä tapauksessa näytteen pinnalta heijastuneen lasersäteen katkaisee monokromaattorin sisääntuloon asennettu spektrisuodatin . Diffraktiohilan asteittainen pyöriminen mahdollistaa valon intensiteetin mittauksen tarkastellun alueen kullakin aallonpituudella. Tällaisen järjestelmän spektriresoluutio määräytyy diffraktiohilan avulla. Siten kokeessa mitataan säteilyspektriä eli säteilyn intensiteetin riippuvuutta sen aallonpituudesta (tai energiasta).
Tämä fotoluminesenssispektroskopian muunnos on suunniteltu tutkimaan mikro- ja nano -objekteja, joiden koko ei ylitä muutamaa mikrometriä . Suurin ero klassiseen tekniikkaan on optisen linssin käyttö 20-100x suurennuksella lasersäteen fokusoimiseksi yhteen nanoobjektiin. Tätä tarkoitusta varten pintaa valaistaan toisella valonsäteellä, joka pinnalta heijastuneena putoaa heijastuneen lasersäteen mukana videokameralle, josta kokeen suorittaja näkee kuvan, mikä mahdollistaa kuvan tarkan ohjauksen. lasersäteen sijainti näytteen pinnalla. Mikrofotoluminesenssispektroskopian asennus on monimutkaisempaa kuin klassinen ja vaatii tarkempaa viritystä, koska tarvitaan kahden valonsäteen samanaikainen tarkennus. Toisaalta tämä tekniikka pystyy tuomaan tarkempia tuloksia, koska. toimii yhden nano-objektin, esimerkiksi nanoviskerin , kanssa, kun taas klassisessa tekniikassa laser väistämättä kiihottaa suuren määrän pinnalla olevia nano-objekteja, mikä johtaa saatujen tulosten keskiarvoon.
Tämä tekniikka palvelee pääasiassa materiaalissa olevien varauksenkuljettajien eliniän mittaamista [1] [2] . Tässä menetelmässä näytteen viritys suoritetaan lyhyillä laserpulsseilla ja mitataan näytteen lähettämän säteilyn vaimeneminen ajan myötä. Tällaisissa mittauksissa käytetään yksinkertaisen monokromaattorin ja detektorin järjestelmän sijaan erityistä elektroni-optista kameraa (viivakameraa), ja mittaustuloksena on kaksiulotteinen kuva säteilyn intensiteetin riippuvuudesta ajasta ja sen ajasta. aallonpituus.
Tämän tyyppinen fotoluminesenssispektroskopia eroaa klassisesta siinä, että näytettä ei viritetä yhdellä aallonpituudella (eli yhdellä laserilla), vaan peräkkäin eri aallonpituuksilla, kun taas säteilyä havaitaan vain yhdellä aallonpituudella. Esimerkiksi puolijohderakenteita tutkittaessa ilmaisu suoritetaan yleensä puolijohteen kaistaväliä vastaavalla aallonpituudella ja heräte aallonpituuksilla, jotka ovat yhtä suuria tai pienempiä kuin tämä. Eri aallonpituuksilla tapahtuvaa viritystä varten laser korvataan yleensä järjestelmällä, joka koostuu halogeenilampusta tai ksenonin ja deuteriumin yhdistelmästä lamput ja viritysmonokromaattori, jonka avulla voit valita halutun viritysaallonpituuden. Tällä menetelmällä voit tutkia tehokkaasti näytteen energiatasojen rakennetta, koska eri energiatasojen välinen rekombinaatio tulee selvemmin näkyväksi kuin muissa menetelmissä [1] .
Kaikki edellä mainitut fotoluminesenssispektroskopian tyypit voidaan suorittaa eri lämpötiloissa (yleensä huoneenlämpötilan alapuolella) ja erityisesti nestemäisen heliumin lämpötilassa (4 K ). Tätä tarkoitusta varten näyte asetetaan kryostaattiin , jossa syntyy tyhjiö ja nestemäistä heliumia syötetään näytteeseen jäähdyttäen näytettä. Kryostaatissa oleva lämmityselementti mahdollistaa jäähdytyksen kompensoinnin ja siten lämpötilan säätelyn pitäen sen halutulla tasolla.
Käytettäessä fotoluminesenssispektroskopiaa on yleensä järkevää suorittaa ei yksittäinen mittaus, vaan sarja kokeita, joissa vaihdellaan yhtä tai useampaa järjestelmän parametria. Seuraavaksi tarkastelemme pääparametreja, joita käytetään fotoluminesenssispektroskopiassa tällaisten koesarjojen perustamiseen.
Koesarjan suorittaminen näytteen erilaisilla viritystehoilla on avainasemassa fotoluminesenssispektroskopiassa. Erityisesti puolijohteissa säteilyn intensiteetin riippuvuus herätetehosta osoittaa rekombinaation tyypit ja kanavat , ja se voi toimia indikaattorina ei-säteilyllisen rekombinaation esiintymisestä vioissa ja muissa prosesseissa [1] . Herätystehon säätämiseen käytetään pääsääntöisesti neutraaleja valosuodattimia , jotka alentavat laserin alkutehoa, joka on pääsääntöisesti 5–20 mW.
Tutkittavan näytteen lämpötila on myös keskeinen parametri fotoluminesenssispektroskopiassa. Erityisen kiinnostavia ovat mittaukset matalassa lämpötilassa (4K) sekä spektrin muutosten havainnointi lämpötilan myötä. Esimerkiksi säteilyn intensiteetin mittaaminen lämpötilan funktiona (ns. Arrhenius-diagrammi ) voi antaa käsityksen puolijohteiden rekombinaatiokanavista ja antaa mahdollisuuden arvioida aktivaatioenergiaa ja muita parametreja [1] . Fotoluminesenssihuippujen leveyden mittaaminen lämpötilan funktiona mahdollistaa päätelmien tekemisen varauksenkuljettajien jakautumisesta rakenteessa. Siten on mahdollista suorittaa esimerkiksi nanorakenteissa syntyvien sähkökenttien mittauksia [3] ja muita epäsuoria mittauksia. Yleisesti ottaen siitä lähtien Koska puolijohteiden ominaisuudet riippuvat voimakkaasti lämpötilasta, matalan lämpötilan spektroskopialla on tärkeä rooli materiaalien ja nanorakenteiden tutkimuksessa.
Fotoluminesenssin ilmiö puolijohdenäytteissä, harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta, voi esiintyä vain viritysenergialla, joka on suurempi (ei-resonoiva heräte) tai yhtä suuri (resonanssiheräte) kuin kaistaväli , eli aallonpituudella, joka on pienempi tai yhtä suuri kuin aallonpituus vastaa tätä leveyttä. Tämän seurauksena eri aallonpituuksia käyttävien puolijohdemateriaalien tutkimus on erityisen kiinnostavaa. Erityisesti resonanssien ja ei-resonanssien viritysmittausten tulosten vertailu voi antaa käsityksen varauksenkuljettajien relaksaatioprosesseista ja näytteen vikojen esiintymisestä [4] . Viritysaallonpituuden muutokseen perustuu myös edellä kuvattu fotoluminesenssiviritysspektroskopia (PLE).
Fotoluminesenssispektroskopia mahdollistaa absorboituneen ja emittoidun säteilyn polarisaation analysoinnin. Tätä tarkoitusta varten polarisaattorit asetetaan laserin ja monokromaattorin eteen . Tutkimalla säteilyn intensiteettiä polarisaattorin kiertokulman funktiona voidaan tehdä johtopäätöksiä materiaalin polarisaation anisotropiasta. Tällä menetelmällä tutkitaan esimerkiksi nanoviksien polarisaatiota [5] [6] .
Marychev M.O., Gorshkov A.P. Käytännön opas kiinteiden nanorakenteiden ja massamateriaalien optiseen spektroskopiaan . - Nižni Novgorod, 2007. - S. 90.
Wickenden AE fotoluminesenssispektroskopia puolijohdeanalyysiin. - Johns Hopkins University, 1989. - S. 260.