Pomiary widm fotoluminescencji

Pomiary widm fotoluminescencji
Pomiary widm fotoluminescencji
• 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).
Pomiary widm fotoluminescencji
• 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).
Pomiary widm fotoluminescencji
• Przykład widma fotoluminescencji GaAs otrzymanej w temperaturze 1.7 K:
FE – swobodne ekscytony,
(D0,X) – ekscytony związane
z neutralnymi donorami,
(D+,X) – ekscytony związane
ze zjonizowanymi donorami
(D0,h) – dziura-neutralny donor
(A0,X) – ekscyton związany
z neutralnym akceptorem
n = 2 – stan wzbudzony ekscytonu.
Pomiary widm fotoluminescencji
• 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
Pomiary widm fotoluminescencji
• Schemat układu do pomiaru mikrofotoluminescencji:
• rozdzielczość przestrzenna: ~ 2 μm
• rozdzielczość spektralna: ~ 60 μeV
Pomiary widm fotoluminescencji
• Widmo mikrofotoluminescencji z kresek kwantowych InAs/InP, otrzymane
dla różnych rozmiarów wytrawionej mezy oraz emisja z pojedynczych kresek
w funkcji mocy pobudzania:
Pomiary widm fotoluminescencji
• Analiza intensywności emisji w funkcji mocy pobudzania, pozwala
na odróżnienie linii związanych z X i XX.
dp XX
p
  XX  gp X
dt
 XX
dp X
p
p
  X  XX  gp0  gp X
dt
 X  XX
p0  p X  p XX  1
I X ( XX ) 
IX 
I XX 
p X ( XX )
 X ( XX )
g
1  g X  g 2 X  XX
g 2 X
1  g X  g 2 X  XX
Pomiary widm fotoluminescencji
• 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 em  I ex Pabs Prel Pem
gdzie I ex jest intensywnością wiązki pobudzającej,
Pabs jest prawdopodobieństwem absorpcji fotonu wzbudzającego,
Prel prawdopodobieństwem relaksacji wygenerowanych optycznie nośników
do emitującego stanu, a Pem oznacza prawdopodobieństwo rekombinacji
promienistej w tym stanie.
Pomiary widm fotoluminescencji
• Idea pomiaru widm wzbudzeniowych na przykładzie struktury
z kropkami kwantowymi:
energia detekcji:
stan podstawowy kropki kwantowej
wetting layer
e2
e1
h1
h2
PLE intensity
bulk
wetting layer
bulk
0
LO+ES
WL
bulk
E
Pomiary widm fotoluminescencji
• Przykład widm wzbudzeniowych dla pojedynczych kropek kwantowych
CdTe/ZnTe przy pobudzaniu laserem barwnikowym: