Фотолюмінесцентна спектроскопія вид оптичної спектроскопії заснований на вимірюванні спектру електромагнітного випроміню

Фотолюмінесцентна спектроскопія — вид оптичної спектроскопії, заснований на вимірюванні спектру електромагнітного випромінювання, випущеного внаслідок явища фотолюмінесценції, викликаного в досліджуваному зразку шляхом збудження його світлом. Один з основних експериментальних методів вивчення оптичних властивостей матеріалів, і, особливо, напівпровідникових мікро- і наноструктур.

Суть методу полягає в тому, що досліджуваний зразок опромінюється світлом у видимому, інфрачервоному або ультрафіолетовому діапазоні. Поглинені зразком кванти світла, фотони, збуджують електрони, що знаходяться у валентній зоні, що призводить до їх переходу в зону провідності. Далі електрони зазнають процесів релаксації і, поступово втрачаючи свою енергію, урешті-решт, досягають нижньої межі зони провідності або інших незаповнених рівнів енергії, де і (рекомбінують) з дірками, випускаючи при цьому фотони з енергією, меншою або рівною енергії поглинених фотонів. Довжини хвиль випущених фотонів аналізуються за допомогою системи, що складається з (монохроматора) і фотодетектора, що охолоджується рідким азотом. Таким чином, отримані спектри дозволяють вивчати структуру енергетичних рівнів речовини і багато інших аспектів фізики напівпровідників та інших матеріалів.

Види фотолюмінесцентної спектроскопії

Схема установки класичної фотолюмінесцентної спектроскопії

Схема установки мікро-фотолюмінесцентної спектроскопії

Типовий результат вимірювань у часо-розділеній фотолюмінесцентній спектроскопії. За вертикальною віссю відкладено час (зверху вниз), а по горизонтальній осі — довжину хвилі випромінювання. Кольором показано інтенсивність випромінювання.

Існує кілька основних видів фотолюмінесцентної спектроскопії і багато модифікацій. Кожна методика дозволяє вивчати різні властивості зразка, тому, для повного вивчення одного зразка нерідко користуються кількома різними методиками.

Класична фотолюмінесцентна спектроскопія (PL)

У класичній версії методу лазерний промінь фокусується в точку діаметром близько міліметра на поверхні зразка. Випромінене світло збирається системою лінз і фокусується на вхідному отворі (монохроматора). Усередині монохроматора рухлива дифракційна ґратка розщеплює світло так, що лише фотони певної довжини хвилі (або певного вузького діапазону довжин хвиль) спрямовуються в детектор, який являє собою (ПЗС-матрицю). При цьому лазерний промінь, відбитий від поверхні зразка, обрізається спектральним фільтром, встановленим на вході в монохроматор. Поступовий поворот дифракційної ґратки забезпечує вимірювання інтенсивності світла на кожній довжині хвилі розглянутого діапазону. Спектральна роздільність такої системи визначається дифракційною ґраткою. Таким чином, в експерименті вимірюється спектр випромінювання, тобто залежність інтенсивності випромінювання від його довжини хвилі (або енергії).

Мікро-фотолюмінесцентна спектроскопія (Micro-PL, PL)

Ця модифікація фотолюмінесцентної спектроскопії призначена для вивчення мікро- і (нанооб'єктів) розміри яких не перевищують кілька мікрометрів. Основною відмінністю від класичного методу є використання оптичного об'єктива з 20-100-кратним збільшенням для фокусування лазерного променя на окремо взятому нанооб'єкті. З цією метою поверхня підсвічується другим променем світла, який, відбиваючись від поверхні, потрапляє разом з відбитим лазерним променем на відеокамеру, зображення з якої бачить експериментатор, що дозволяє точно контролювати положення лазерного променя на поверхні зразка. Установка мікро-фотолюмінесцентної спектроскопії влаштована складніше від класичної і вимагає більш точного налаштування, через необхідність одночасного фокусування двох променів світла. З іншого боку, ця методика здатна принести точніші результати, оскільки працює з одиничним нанооб'єктом, наприклад нановіскером, тоді як за класичної методики лазер неминуче збуджує велику кількість нанооб'єктів, які перебувають на поверхні, що призводить до усереднення отриманих результатів.

Часо-роздільна фотолюмінесцентна спектроскопія (Time-resolved PL, TRPL)

Ця методика призначена переважно для вимірювання часів життя носіїв заряду в матеріалі. В даному методі збудження зразка проводиться короткими лазерними імпульсами, а вимірюється загасання випущеного зразком випромінювання в часі. Для таких вимірювань замість простої системи з монохроматора і детектора використовується спеціальна (електронно-оптична камера) (стрік-камера), а результатом вимірювань є двовимірна картина залежності інтенсивності випромінювання від часу і його довжини хвилі.

Фотолюмінесцентна спектроскопія збудження (PLE)

Цей вид фотолюмінесцентної спектроскопії відрізняється від класичного тим, що зразок збуджується не на одній довжині хвилі (тобто одним лазером), а послідовно різними довжинами хвиль, в той час як детектується випромінювання тільки на якійсь одній довжині хвилі. Наприклад, у разі вивчення напівпровідникових структур, детектування зазвичай проводиться на довжині хвилі, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника, а збудження на довжинах хвиль, що дорівнюють і менші від неї. Для збудження на різних довжинах хвиль, лазер зазвичай замінюється системою, що складається з галогенної лампи і монохроматора, що дозволяє вибрати бажану довжину хвилі збудження. Даний метод дозволяє ефективно вивчати структуру енергетичних рівнів у зразку, оскільки рекомбінація між різними енергетичними рівнями стає видна більш чітко, ніж в інших методах.

Низькотемпературна фотолюмінесцентна спектроскопія

Всі перераховані вище види фотолюмінесцентної спектроскопії можуть проводитися за різних температур (як правило, нижче кімнатної) і зокрема за температури рідкого гелію (4 К). З цією метою зразок поміщається в кріостат, у якому створюється вакуум і до зразка підводиться рідкий гелій, що охолоджує зразок. Наявний у кріостаті нагрівальний елемент дозволяє компенсувати охолодження і таким чином контролювати температуру, підтримуючи її на бажаному рівні.

Параметри фотолюмінесцентної спектроскопії

Спектр мікро-фотолюмінесценції InAs/InP квантової точки за різних потужностей збудження

Спектри мікро-фотолюмінесценції InAs/InP нановіскера отримані при поляризаторі повернутому паралельно і перпендикулярно до нановіскера.

За використання фотолюмінесцентної спектроскопії, як правило, сенс має проведення не одиничного вимірювання, а серії експериментів, за яких варіюється один або кілька параметрів системи. Далі розглянуто основні параметри, які використовуються у фотолюмінесцентноій спектроскопії для проведення таких серій експериментів.

Потужність збудження

Проведення серії експериментів з різними значеннями потужності збудження зразка має ключову роль у фотолюмінесцентній спектроскопії. Зокрема, в напівпровідниках залежність інтенсивності випромінювання від потужності збудження показує типи і канали (рекомбінації), і може служити індикатором наявності безвипромінювальної рекомбінації на дефектах та інших процесів. Для контролю потужності збудження, як правило, використовуються нейтральні світлофільтри, що знижують вихідну потужність лазера, яка, як правило, становить 5-20 мВт.

Температура зразка

Температура досліджуваного зразка також є ключовим параметром фотолюмінесцентної спектроскопії. Особливий інтерес являють вимірювання за низькій температурі (4К), а також спостереження змін у спектрі під час змінювання температури. Наприклад, вимірювання інтенсивності випромінювання залежно від температури (так званий графік Арреніуса) може давати уявлення про канали рекомбінації в напівпровідниках і дозволяє оцінити енергію активації та інші параметри. Вимірювання фотолюмінесценції, як функції температури, дозволяє робити висновки про розподіл носіїв заряду в структурі. Таким чином можна проводити, наприклад, вимірювання електричних полів, що виникають у наноструктурах, та інші не прямі вимірювання. В цілому, оскільки властивості напівпровідників дуже залежать від температури, то низькотемпературна спектроскопія відграє важливу роль у вивченні матеріалів і наноструктур.

Довжина хвилі збудження

Явище фотолюмінесценції в напівпровідникових зразках, за рідкісним винятком, може відбуватися тільки за енергії збудження, більшої (не резонансне збудження) або рівної (резонансне збудження) ширині забороненої зони, тобто з довжиною хвилі, меншою або рівною довжині хвилі, що відповідає цій ширині. Як наслідок, вивчення напівпровідникових матеріалів з використанням різних довжин хвиль становить особливий інтерес. Зокрема, порівняння результатів вимірювань за резонансного і не резонансного збуждення може давати уявлення про процеси релаксації носіїв заряду і наявності дефектів у зразку. Також на змінюванні довжини хвилі збудження ґрунтується метод фотолюмінесцентної спектроскопії збудження (PLE), описаний вище.

Поляризація

Фотолюмінесцентна спектроскопія дозволяє аналізувати поляризацію поглиненого і випущеного випромінювання. З цією метою перед лазером і монохроматором відповідно встановлюються поляризатори. Вивчаючи інтенсивність випромінювання як функцію кута повороту поляризатора, можна зробити висновки про поляризаційну анізотропію матеріалу. Таким методом вивчають, наприклад, поляризацію нановіскерів.

Див. також

Література

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.

Примітки

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

[Alouane-1] 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

[2] 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

[3] 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

[4] 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

[5] 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

[6] 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