Pomiary widm fotoluminescencji

Transkrypt

1

2 Fotoluminescencja (PL photoluminescence) jako technika eksperymentalna, oznacza badanie zależności spektralnej rekombinacji promienistej, pochodzącej od nośników wzbudzonych optycznie. Schemat układu do pomiaru fotoluminescencji: Źródło wzbudzające nośniki: laser, filtrowana spektralnie lampa ksenonowa Energia wiązki wzbudzającej musi być większa od energii obserwowanej emisji (zazwyczaj z najniższego energetycznie stanu w strukturze).

3 W temperaturze pokojowej (duża liczba fononów) istotny wkład do rekombinacji ma rekombinacja niepromienista, zatem pomiary widm fotoluminescencji przeprowadzane są zazwyczaj w niskich temperaturach (ciekłego azotu (77 K) lub helu (4 K)). Niska temperatura pozwala również na zmniejszenie termicznego rozmycia stanów energetycznych poszerzenia linii emisyjnej ( ). ~ kt Pozwala to na separację poszczególnych maksimów emisyjnych i łatwiejszą identyfikację przejść optycznych. Ze względu na zjawisko termalizacji nośników, spektroskopia fotoluminescencyjna pozwala na obserwację przejść optycznych głównie ze stanów położonych najniżej energetycznie w danej strukturze. Emisja ze stanów wyższych wymaga zastosowania bardzo dużych gęstości mocy pobudzania, co pozwala wprawdzie zapełnić większą liczbę stanów, ale jednocześnie wprowadza efekt lokalnego podgrzewania struktury (w skrajnych przypadkach może nawet prowadzić do jej uszkodzenia).

4 Przykład widma fotoluminescencji GaAs otrzymanej w temperaturze 1.7 K: FE swobodne ekscytony, (D 0,) ekscytony związane z neutralnymi donorami, (D +,) ekscytony związane ze zjonizowanymi donorami (D 0,h) dziura-neutralny donor (A 0,) ekscyton związany z neutralnym akceptorem n = 2 stan wzbudzony ekscytonu.

5 Standardowy obszar próbkowania (średnicy wiązki na powierzchni): 100 µm 5 mm Próbkowanie struktury z wysoką rozdzielczością (mikrometrową): badanie właściwości pojedynczych nanostruktur (np. kropki kwantowe) możliwość kontroli miejsca badania struktury (np. matryce mikrownęk optycznych) dostępne duże gęstości mocy wiązki pobudzającej badanie jednorodności struktury w skali mikrometrowej

6 Schemat układu do pomiaru mikrofotoluminescencji: rozdzielczość przestrzenna: ~ 2 μm rozdzielczość spektralna: ~ 60 μev

7 Widmo mikrofotoluminescencji z kresek kwantowych InAs/InP, otrzymane dla różnych rozmiarów wytrawionej mezy oraz emisja z pojedynczych kresek w funkcji mocy pobudzania:

8 Analiza intensywności emisji w funkcji mocy pobudzania, pozwala na odróżnienie linii związanych z i. dp d t dp dt p p gp p gp0 p0 p p 1 gp I ( ) I I p ( ) ( ) g 2 1 g g 2 g 2 1 g g

9 Wykorzystanie przestrajalnego źródła światła, pozwala na pomiar widm wzbudzeniowych (PLE photoluminescence excitation), które są często stosowane jako alternatywa do pomiarów absorpcji. Do wzbudzania może być wykorzystany przestrajalny spektralnie laser (np. tytanowo-szafirowy) lub monochromator i źródło o szerokim spektrum (np. oświetlacz halogenowy). Widmo wzbudzeniowe związane jest ze spektralną zależnością współczynnika absorpcji i pozwala na obserwację również wyższych stanów w strukturze. Intensywność emisji w spektroskopii wzbudzeniowej zależy od kilku czynników: I ex I I em ex P abs P gdzie jest intensywnością wiązki pobudzającej, P abs jest prawdopodobieństwem absorpcji fotonu wzbudzającego, P rel prawdopodobieństwem relaksacji wygenerowanych optycznie nośników do emitującego stanu, a P em oznacza prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej w tym stanie. rel P em

10 PLE intensity Pomiary widm fotoluminescencji Idea pomiaru widm wzbudzeniowych na przykładzie struktury z kropkami kwantowymi: bulk energia detekcji: stan podstawowy kropki kwantowej wetting layer e 2 e 1 h 1 h 2 wetting layer bulk 0 LO+ES WL bulk E

11 Przykład widm wzbudzeniowych dla pojedynczych kropek kwantowych CdTe/ZnTe przy pobudzaniu laserem barwnikowym: