Fotoluminesans spektroskopiyasi

Fotolyuminessent spektroskopiya - oʻrganilayotgan namunada uni elektromagnit nurlanish bilan qoʻzgʻatish yoʻli bilan induktsiya qilingan fotolyuminessensiya hodisasi natijasida chiqarilgan elektromagnit nurlanish spektrini oʻlchashga asoslangan optik spektroskopiya turi. Materiallarning optik xususiyatlarini, xususan, yarimoʻtkazgichli mikro va nanostrukturalarni oʻrganishning asosiy eksperimental usullaridan biri.

Usulning mohiyati oʻrganilayotgan namunaning koʻrinadigan, infraqizil yoki ultrabinafsha diapazonida nurlanishidadir. Namuna tomonidan soʻrilgan fotonlar valentlik zonasida joylashgan elektronlarni qoʻzgʻatadi, bu ularning oʻtkazuvchanlik zonasiga oʻtishiga olib keladi. Bundan tashqari, elektronlar boʻshashish jarayonlarini boshdan kechiradilar va asta-sekin oʻz energiyasini yoʻqotib, oxir-oqibat oʻtkazuvchanlik zonasining pastki chegarasiga yoki boshqa toʻldirilmagan energiya darajalariga etib boradilar, bu yerda ular teshiklar bilan qayta birlashadilar, shu bilan birga energiyadan kamroq yoki unga teng boʻlgan fotonlarni chiqaradilar. soʻrilgan fotonlar. Emissiya spektri deb ataladigan tarqaladigan toʻlqinlar spektri monoxromator, fotokoʻpaytiruvchi nay, ADC va kompyuterdan iborat tizim yordamida tahlil qilinadi. Shunday qilib, olingan spektrlar materiyaning energiya darajalari tuzilishini va yarim oʻtkazgichlar va boshqa materiallar fizikasining koʻplab boshqa jihatlarini oʻrganish imkonini beradi.

Fotolyuminessent spektroskopiya turlari

Klassik fotolyuminestsent spektroskopiyani o'rnatish sxemasi

Mikro-fotoluminesans spektroskopiyani o'rnatish diagrammasi

Odatda o'lchov natijasida vaqt bilan hal qilingan fotoluminesans spektroskopiyasi. Vaqt vertikal o'q bo'ylab (yuqoridan pastga) va radiatsiya to'lqin uzunligi gorizontal o'q bo'ylab chiziladi. Rang nurlanishning intensivligini ko'rsatadi.

Hozirda fotolyuminestsent spektroskopiyaning bir nechta asosiy turlari va koʻplab modifikatsiyalari mavjud. Har bir texnika namunaning turli xususiyatlarini oʻrganishga imkon beradi, shuning uchun bitta namunani toʻliq oʻrganish uchun koʻpincha bir nechta turli usullar qoʻllaniladi .

Klassik fotoluminesans spektroskopiyasi (PL)

Usulning klassik versiyasida lazer nuri namuna yuzasida diametri taxminan bir millimetr boʻlgan nuqtaga qaratilgan. Chiqarilgan yorugʻlik linzalar tizimi tomonidan toʻplanadi va monoxromatorning kirish teshigiga qaratilgan. Monoxromator ichida harakatlanuvchi diffraktsiya panjarasi yorugʻlikni ajratadi, shunda CCD massivi boʻlgan detektorga faqat maʼlum bir toʻlqin uzunligidagi (yoki maʼlum bir tor toʻlqin uzunligidagi) fotonlar yuboriladi. Bunday holda, namuna yuzasidan aks ettirilgan lazer nurlari monoxromatorning kirish qismida oʻrnatilgan spektral filtr tomonidan kesiladi. Difraksion panjaraning bosqichma-bosqich aylanishi koʻrib chiqilayotgan diapazonning har bir toʻlqin uzunligida yorugʻlik intensivligini oʻlchashni taʼminlaydi. Bunday tizimning spektral ruxsati diffraktsiya panjarasi bilan aniqlanadi. Shunday qilib, tajriba nurlanish spektrini, yaʼni nurlanish intensivligining uning toʻlqin uzunligiga (yoki energiyasiga) bogʻliqligini oʻlchaydi.

Mikro-fotoluminesans spektroskopiya (Micro-PL, PL)

Fotolyuminestsent spektroskopiyaning ushbu modifikatsiyasi hajmi bir necha mikrometrdan oshmaydigan mikro va nano-ob'ektlarni oʻrganish uchun moʻljallangan. Klassik texnikadan asosiy farq - lazer nurini bitta nanoob'ektga qaratish uchun 20-100x kattalashtirishga ega optik linzalardan foydalanish. Buning uchun sirt ikkinchi yorugʻlik nuri bilan yoritiladi, u sirtdan aks ettirilgan, aks ettirilgan lazer nurlari bilan birga videokameraga tushadi, tasvirni eksperimentator koʻradi, bu esa yorugʻlikni aniq boshqarish imkonini beradi. lazer nurining namuna yuzasida joylashishi. Mikro-fotoluminesans spektroskopiyani oʻrnatish klassikaga qaraganda ancha murakkab va ikkita yorugʻlik nurini bir vaqtning oʻzida fokuslash zarurati tufayli aniqroq sozlashni talab qiladi. Boshqa tomondan, bu texnika aniqroq natijalarga olib kelishi mumkin, chunki. bitta nanoob'ekt, masalan, nanohisker bilan ishlaydi, klassik texnikada esa lazer muqarrar ravishda sirtda joylashgan koʻp sonli nanoob'ektlarni qoʻzgʻatadi, bu esa olingan natijalarning oʻrtacha qiymatiga olib keladi.

Vaqt bilan ajraladigan fotoluminesans spektroskopiyasi (vaqt boʻyicha ajraladigan PL, TRPL)

Ushbu usul asosan materialdagi zaryad tashuvchilarning ishlash muddatini oʻlchash uchungina xizmat qiladi. Ushbu usulda namuna qisqa lazer impulslari bilan qoʻzgʻatiladi va vaqt oʻtishi bilan namuna tomonidan chiqarilgan nurlanishning susayishi oʻlchanadi. Bunday oʻlchovlar uchun monoxromator va detektorning oddiy tizimi oʻrniga maxsus elektron-optik kamera (chiziqli kamera) ishlatiladi va oʻlchov natijasi radiatsiya intensivligining vaqtga bogʻliqligi va uning ikki oʻlchovli rasmidir. toʻlqin uzunligi.

Fotoluminesans qoʻzgʻalish spektroskopiyasi (PLE)

Ushbu turdagi fotoluminesans spektroskopiyasi klassikdan farq qiladi, chunki namuna bir toʻlqin uzunligida emas yaʼni bitta lazer bilan, balki ketma-ket turli toʻlqin uzunliklarida qoʻzgʻatiladi, nurlanish esa faqat bitta toʻlqin uzunligida aniqlanishi mumkin. Masalan, yarimoʻtkazgichli tuzilmalarni oʻrganishda aniqlash odatda yarim oʻtkazgichning tarmoqli boʻshligʻiga mos keladigan toʻlqin uzunligida va qoʻzgʻalish bunga teng yoki undan kichik toʻlqin uzunliklarida amalga oshiriladi. Turli toʻlqin uzunliklarida qoʻzgʻalish uchun lazer odatda halogen chiroq yoki ksenon va deyteriy birikmasidan iborat tizim bilan almashtiriladi lampalar va kerakli qoʻzgʻalish toʻlqin uzunligini tanlash imkonini beruvchi qoʻzgʻatuvchi monoxromator. Ushbu usul namunadagi energiya darajalarining tuzilishini samarali oʻrganish imkonini beradi, chunki turli energiya darajalari orasidagi rekombinatsiya boshqa usullarga qaraganda aniqroq koʻrinadi .

Past haroratli fotoluminesans spektroskopiyasi

Yuqoridagi barcha turdagi fotolyuminestsent spektroskopiya turli haroratlarda (odatda xona haroratidan past) va xususan suyuq geliy haroratida (4K) amalga oshirilishi mumkin. Buning uchun namuna kriostatga joylashtiriladi, unda vakuum hosil boʻladi va namunani sovutadigan suyuq geliy beriladi. Kriyostatda mavjud boʻlgan isitish elementi sovutishni qoplash imkonini beradi va shu bilan haroratni istalgan darajada ushlab turadi.

Fotolyuminessent spektroskopiya parametrlari

Turli qo'zg'alish kuchlarida InAs/InP kvant nuqtasining mikro-fotoluminesans spektri

Polarizator yordamida olingan nanohiskerning InAs/InP mikro-fotoluminesans spektrlari nanohiskerga parallel va perpendikulyar burilgan.

Fotolyuminestsent spektroskopiyadan foydalanganda, qoida tariqasida, bitta oʻlchovni emas, balki tizimning bir yoki bir nechta parametrlari oʻzgarib turadigan bir qator tajribalarni oʻtkazish mantiqan toʻgʻri keladi. Keyinchalik, bunday tajribalar seriyasini oʻrnatish uchun fotoluminesans spektroskopiyasida ishlatiladigan asosiy parametrlarni koʻrib chiqamiz.

Qoʻzgʻalish kuchi

Namunaning turli qoʻzgʻalish kuchlari bilan bir qator tajribalar oʻtkazish fotoluminesans spektroskopiyasida asosiy rol oʻynaydi. Xususan, yarimoʻtkazgichlarda nurlanish intensivligining qoʻzgʻalish kuchiga bogʻliqligi rekombinatsiyaning turlari va kanallarini koʻrsatadi va nuqsonlarda va boshqa jarayonlarda nurlanishsiz rekombinatsiya mavjudligining koʻrsatkichi boʻlib xizmat qilishi mumkin. Qoʻzgʻalish kuchini boshqarish uchun, qoida tariqasida, boshlangʻich lazer kuchini pasaytiradigan neytral yorugʻlik filtrlari qoʻllaniladi, bu qoida tariqasida 5-20 mVt.

Namuna harorati

Oʻrganilayotgan namunaning harorati ham fotoluminesans spektroskopiyasining asosiy parametridir. Past haroratda (4K) oʻlchovlar, shuningdek, harorat bilan spektrdagi oʻzgarishlarni kuzatish alohida qiziqish uygʻotadi. Masalan, radiatsiya intensivligini harorat funksiyasi sifatida oʻlchash (Arrhenius syujeti deb ataladi) yarimoʻtkazgichlardagi rekombinatsiya kanallari haqida tasavvurga ega boʻlishi mumkin va faollashuv energiyasini va boshqa parametrlarni baholashga imkon beradi . Fotolyuminessensiya choʻqqilarining kengligini haroratga bogʻliq holda oʻlchash strukturada zaryad tashuvchilarning taqsimlanishi haqida xulosa chiqarish imkonini beradi. Shunday qilib, masalan, nanostrukturalarda paydo boʻladigan elektr maydonlarini oʻlchash va boshqa bilvosita oʻlchovlarni amalga oshirish mumkin. Umuman olganda, t. Kimga. Yarimoʻtkazgichlarning xossalari haroratga kuchli bogʻliq boʻlganligi sababli, materiallar va nanostrukturalarni oʻrganishda past haroratli spektroskopiya muhim rol oʻynaydi.

Polarizatsiya

Fotolyuminestsent spektroskopiya soʻrilgan va chiqarilgan nurlanishning qutblanishini tahlil qilish imkonini beradi. Shu maqsadda lazer va monoxromator oldiga mos ravishda polarizatorlar joylashtiriladi. Polarizatorning aylanish burchagi funksiyasi sifatida nurlanish intensivligini oʻrganib, materialning qutblanish anizotropiyasi haqida xulosa chiqarish mumkin. Ushbu usul, masalan, nanohiskerlarning qutblanishini oʻrganish uchun ishlatiladi.

Sm. Shuningdek

• Fotoluminesans
• Optik spektroskopiya
• Spektrofotometriya
• Ultraviyole spektroskopiya
• infraqizil spektroskopiya

ADABIYOTLAR

Марычев М.О., Горшков А.П.. Практическое руководство по оптической спектроскопии твердотельных наноструктур и объёмных материалов, Нижний Новгород, 2007 — 90 bet.  (Wayback Machine saytida 2023-06-01 sanasida arxivlangan)

Wickenden A.E. Photoluminescence Spectroscopy for Semiconductor Analysis. — Johns Hopkins Universityю