Spectroscopia fotoluminiscentă este un tip de spectroscopie optică bazată pe măsurarea spectrului de radiații electromagnetice emise ca urmare a fenomenului de fotoluminiscență indus în proba studiată prin excitarea acesteia cu radiații electromagnetice. Una dintre principalele metode experimentale de studiere a proprietăților optice ale materialelor, în special micro- și nanostructurilor semiconductoare .
Esența metodei constă în faptul că proba studiată este iradiată în domeniul vizibil, infraroșu sau ultraviolet . Cuantele de lumină absorbite de probă, fotonii , excită electronii aflați în banda de valență , ceea ce duce la tranziția lor la banda de conducție . În plus, electronii experimentează procese de relaxare și, pierzându-și treptat energia, ajung în cele din urmă la limita inferioară a benzii de conducție sau la alte niveluri de energie neumplute , unde se recombină cu găuri, în timp ce emit fotoni cu o energie mai mică sau egală cu energia fotoni absorbiți. Spectrul undelor emise, numit spectru de emisie , este analizat folosind un sistem format dintr-un monocromator , tub fotomultiplicator , ADC și computer. Astfel, spectrele obținute fac posibilă studierea structurii nivelurilor de energie ale materiei și a multor alte aspecte ale fizicii semiconductorilor și a altor materiale.
Există mai multe tipuri principale de spectroscopie fotoluminiscentă și multe modificări. Fiecare tehnică vă permite să studiați diferite proprietăți ale eșantionului, prin urmare, pentru un studiu complet al unei probe, sunt adesea folosite mai multe metode diferite [1] .
În versiunea clasică a metodei , fasciculul laser este focalizat la un punct de aproximativ un milimetru în diametru pe suprafața probei. Lumina emisă este colectată de un sistem de lentile și focalizată pe orificiul de intrare al monocromatorului . În interiorul monocromatorului, o rețea de difracție mobilă împarte lumina, astfel încât numai fotonii cu o anumită lungime de undă (sau un anumit interval îngust de lungimi de undă) sunt trimiși către detector, care este o matrice CCD . În acest caz, fasciculul laser reflectat de suprafața probei este tăiat de filtrul spectral instalat la intrarea în monocromator. Rotirea treptată a rețelei de difracție oferă o măsurare a intensității luminii la fiecare lungime de undă a intervalului considerat. Rezoluția spectrală a unui astfel de sistem este determinată de rețeaua de difracție. Astfel, experimentul măsoară spectrul de radiații, adică dependența intensității radiației de lungimea de undă (sau energia).
Această modificare a spectroscopiei fotoluminiscente este concepută pentru a studia micro- și nano -obiecte cu o dimensiune care nu depășește câțiva micrometri . Principala diferență față de tehnica clasică este utilizarea unei lentile optice cu o mărire de 20-100x pentru a focaliza fasciculul laser pe un singur nanoobiect. În acest scop, suprafața este iluminată de un al doilea fascicul de lumină, care, reflectat de la suprafață, cade împreună cu fasciculul laser reflectat pe o cameră video, a cărei imagine este văzută de experimentator, ceea ce permite controlul precis al poziţia fasciculului laser pe suprafaţa probei. Instalarea spectroscopiei micro-fotoluminiscente este mai complicată decât cea clasică și necesită o reglare mai precisă, din cauza necesității focalizării simultane a două fascicule de lumină. Pe de altă parte, această tehnică este capabilă să aducă rezultate mai precise, deoarece. funcționează cu un singur nano-obiect, de exemplu , o nanobișcă , în timp ce în tehnica clasică, laserul excită inevitabil un număr mare de nano-obiecte situate la suprafață, ceea ce duce la o medie a rezultatelor obținute.
Această tehnică servește în principal la măsurarea duratei de viață a purtătorilor de sarcină dintr-un material [1] [2] . În această metodă, excitarea probei este efectuată prin impulsuri laser scurte și se măsoară atenuarea radiației emise de eșantion în timp. Pentru astfel de măsurători, în loc de un sistem simplu de monocromator și detector, se folosește o cameră electron-optică specială (camera streak), iar rezultatul măsurării este o imagine bidimensională a dependenței intensității radiației de timp și a acesteia. lungime de undă.
Acest tip de spectroscopie de fotoluminiscență diferă de cea clasică prin aceea că proba este excitată nu la o lungime de undă (adică de un laser), ci succesiv cu lungimi de undă diferite, în timp ce radiația este detectată doar la o lungime de undă. De exemplu, în cazul studierii structurilor semiconductoare, detecția se realizează de obicei la o lungime de undă corespunzătoare benzii interzise a semiconductorului și excitarea la lungimi de undă egale sau mai mici decât aceasta. Pentru excitația la diferite lungimi de undă, laserul este de obicei înlocuit cu un sistem format dintr-o lampă cu halogen sau o combinație de xenon și deuteriu lămpi și un monocromator de excitație care vă permite să selectați lungimea de undă de excitație dorită. Această metodă vă permite să studiați în mod eficient structura nivelurilor de energie din eșantion, deoarece recombinarea între diferite niveluri de energie devine mai clar vizibilă decât în alte metode [1] .
Toate tipurile de spectroscopie de fotoluminiscență de mai sus pot fi efectuate la diferite temperaturi (de obicei sub temperatura camerei) și în special la temperatura heliului lichid (4 K ). În acest scop, proba este plasată într-un criostat , în care se creează un vid și este furnizat heliu lichid probei, răcind proba. Elementul de încălzire prezent în criostat vă permite să compensați răcirea și astfel să controlați temperatura, menținând-o la nivelul dorit.
Când se utilizează spectroscopie cu fotoluminiscență, de regulă, este logic să se efectueze nu o singură măsurătoare, ci o serie de experimente în care unul sau mai mulți parametri ai sistemului sunt variați. În continuare, luăm în considerare principalii parametri utilizați în spectroscopia de fotoluminiscență pentru realizarea unor astfel de serii de experimente.
Efectuarea unei serii de experimente cu diferite puteri de excitație a unei probe joacă un rol cheie în spectroscopia de fotoluminescență. În special, în semiconductori, dependența intensității radiației de puterea de excitație arată tipurile și canalele de recombinare și poate servi ca un indicator al prezenței recombinării neradiative la defecte și alte procese [1] . Pentru a controla puterea de excitație, de regulă, se folosesc filtre de lumină neutră care scad puterea inițială a laserului, care, de regulă, este de 5-20 mW.
Temperatura probei studiate este, de asemenea, un parametru cheie în spectroscopia de fotoluminiscență. De interes deosebit sunt măsurătorile la temperatură scăzută (4K), precum și observarea modificărilor spectrului cu temperatura. De exemplu, măsurarea intensității radiației în funcție de temperatură (așa-numita diagramă Arrhenius ) poate oferi o idee despre canalele de recombinare în semiconductori și permite estimarea energiei de activare și a altor parametri [1] . Măsurarea lățimii vârfurilor de fotoluminiscență în funcție de temperatură face posibilă tragerea de concluzii despre distribuția purtătorilor de sarcină în structură. Astfel, este posibil să se efectueze, de exemplu, măsurători ale câmpurilor electrice care apar în nanostructuri [3] și alte măsurători indirecte. În general, din moment ce Deoarece proprietățile semiconductorilor depind puternic de temperatură, spectroscopia la temperatură joasă joacă un rol important în studiul materialelor și nanostructurilor.
Fenomenul de fotoluminiscență în probele de semiconductor, cu rare excepții, poate apărea numai la o energie de excitație mai mare (excitație nerezonantă) sau egală (excitație rezonantă) cu banda interzisă , adică cu o lungime de undă mai mică sau egală cu lungimea de undă. corespunzătoare acestei lăţimi. În consecință, studiul materialelor semiconductoare folosind lungimi de undă diferite prezintă un interes deosebit. În special, o comparație a rezultatelor măsurătorilor sub excitații rezonante și nerezonante poate oferi o perspectivă asupra proceselor de relaxare a purtătorilor de sarcină și prezența defectelor în probă [4] . De asemenea, pe baza modificării lungimii de undă de excitație se află metoda spectroscopiei de excitație fotoluminiscentă (PLE) descrisă mai sus.
Spectroscopia fotoluminiscentă face posibilă analizarea polarizării radiațiilor absorbite și emise. În acest scop, polarizatoarele sunt plasate în fața laserului și, respectiv, monocromatorului . Studiind intensitatea radiației în funcție de unghiul de rotație al polarizatorului, se pot trage concluzii despre anizotropia de polarizare a materialului. Această metodă este folosită pentru a studia, de exemplu, polarizarea nanomuștaților [5] [6] .
Marychev M.O., Gorshkov A.P. Un ghid practic pentru spectroscopia optică a nanostructurilor solide și a materialelor în vrac . - Nijni Novgorod, 2007. - S. 90.
Spectroscopie de fotoluminiscență Wickenden AE pentru analiza semiconductorilor. - Universitatea Johns Hopkins, 1989. - S. 260.