Фотолюминесце́нтная спектроскопи́я — вид оптической спектроскопии, основанный на измерении спектра электромагнитного излучения, испущенного в результате явления фотолюминесценции, вызванного в изучаемом образце, посредством возбуждения его электромагнитным излучением. Один из основных экспериментальных методов изучения оптических свойств материалов, и в особенности полупроводниковых микро- и наноструктур.

Суть метода заключается в том, что изучаемый образец облучается в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Поглощённые образцом кванты света, фотоны, возбуждают электроны, находящиеся в валентной зоне, что приводит к их переходу в зону проводимости. Далее электроны испытывают процессы релаксации и, постепенно теряя свою энергию, в конечном итоге, достигают нижней границы зоны проводимости или других незаполненных уровней энергии, где и рекомбинируют с дырками, испуская при этом фотоны с энергией, меньшей или равной энергии поглощенных фотонов. Спектр излученных волн, называемый спектром эмиссии, анализируется с помощью системы, состоящей из монохроматора, фотоэлектронного умножителя, АЦП и вычислительной машины. Таким образом, полученные спектры позволяют изучать структуру энергетических уровней вещества и многие другие аспекты физики полупроводников и других материалов.

Виды фотолюминесцентной спектроскопии

Существует несколько основных видов фотолюминесцентной спектроскопии и множество модификаций. Каждая методика позволяет изучать различные свойства образца, поэтому, для полного изучения одного образца нередко пользуются несколькими разными методикамиHadj 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.

Классическая фотолюминесцентная спектроскопия (PL) В классической версии метода лазерный луч фокусируется в точку диаметром около миллиметра на поверхности образца. Излучённый свет собирается системой линз и фокусируется на входном отверстии монохроматора. Внутри монохроматора подвижная дифракционная решётка расщепляет свет так, что лишь фотоны определённой длины волны (или определённого узкого диапазона длин волн) направляются в детектор, представляющий собой ПЗС-матрицу. При этом лазерный луч, отражённый от поверхности образца, обрезается спектральным фильтром, установленным на входе в монохроматор. Постепенный поворот дифракционной решетки обеспечивает измерение интенсивности света на каждой длине волны рассматриваемого диапазона. Спектральное разрешение такой системы определяется дифракционной решёткой. Таким образом, в эксперименте измеряется спектр излучения, то есть зависимость интенсивности излучения от его длины волны (или энергии).

Микро-фотолюминесцентная спектроскопия (Micro-PL, PL) Эта модификация фотолюминесцентной спектроскопии предназначена для изучения микро- и нанообъектов размером, не превышающих несколько микрометров. Основным отличием от классической методики является использование оптического объектива с 20-100-кратным увеличением для фокусировки лазерного луча на отдельно взятом нанообъекте. С этой целью поверхность подсвечивается вторым лучом света, который, отражаясь от поверхности, попадает вместе с отражённым лазерным лучом на видеокамеру, изображение с которой видит экспериментатор, что позволяет точно контролировать положение лазерного луча на поверхности образца. Установка микро-фотолюминесцентной спектроскопии устроена сложнее классической и требует более точной настройки, из-за необходимости одновременной фокусировки двух лучей света. С другой стороны, эта методика способна принести более точные результаты, т.к. работает с единичным нанообъектом, например нановискером, тогда как в классической методике лазер неизбежно возбуждает большое количество нанообъектов, находящихся на поверхности, что приводит к усреднению полученных результатов.

Время-разрешённая фотолюминесцентная спектроскопия (Time-resolved PL, TRPL) Эта методика служит в основном для измерения времён жизни носителей заряда в материалеReynolds 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. В данном методе возбуждение образца производится короткими лазерными импульсами, а измеряется затухание испущенного образцом излучения во времени. Для таких измерений вместо простой системы из монохроматора и детектора используется специальная электронно-оптическая камера (стрик-камера), а результатом измерений является двумерная картина зависимости интенсивности излучения от времени и его длины волны.

Фотолюминесцентная спектроскопия возбуждения (PLE) Этот вид фотолюминесцентной спектроскопии отличается от классического тем, что образец возбуждается не на одной длине волны (то есть одним лазером), а последовательно различными длинами волн, в то время как детектируется излучение только на какой-то одной длине волны. Например, в случае изучения полупроводниковых структур, детектирование обычно проводится на длине волны, соответствующей ширине запрещённой зоны полупроводника, а возбуждение на длинах волн, равной и меньше этой. Для возбуждения на разных длинах волн, лазер обычно заменяется системой, состоящей из галогенной лампы или комбинации ксеноновой и дейтериевой ламп и монохроматора возбуждения, позволяющего выбрать желаемую длину волны возбуждения. Данный метод позволяет эффективно изучать структуру энергетических уровней в образце, так как рекомбинация между разными энергетическими уровнями становится видна более отчётливо, нежели в других методах .

Низкотемпературная фотолюминесцентная спектроскопия Все вышеперечисленные виды фотолюминесцентной спектроскопии могут проводиться при различных температурах (как правило, ниже комнатной) и в частности при температуре жидкого гелия (4К). С этой целью образец помещается в криостат, в котором создаётся вакуум и к образцу подводится жидкий гелий, охлаждающий образец. Имеющийся в криостате нагревательный элемент позволяет компенсировать охлаждение и таким образом контролировать температуру, поддерживая её на желаемом уровне.

Параметры фотолюминесцентной спектроскопии

При использовании фотолюминесцентной спектроскопии, как правило, смысл имеет проведение не единичного измерения, а серии экспериментов, при которых варьируется один или несколько параметров системы. Далее рассмотрены основные параметры, используемые в фотолюминесцентной спектроскопии для постановки таких серий экспериментов.

Мощность возбуждения Проведение серии экспериментов с различными значениями мощности возбуждения образца имеет ключевую роль в фотолюминесцентной спектроскопии. В частности, в полупроводниках зависимость интенсивности излучения от мощности возбуждения показывает типы и каналы рекомбинации, и может служить индикатором наличия безызлучательной рекомбинации на дефектах и других процессов. Для контроля мощности возбуждения, как правило, используются нейтральные светофильтры понижающие исходную мощность лазера, которая, как правило, составляет 5—20 мВт.

Температура образца Температура изучаемого образца также является ключевым параметром в фотолюминесцентной спектроскопии. Особый интерес представляют измерения при низкой температуре (4К), а также наблюдение изменений в спектре при изменении температуры. Например, измерение интенсивности излучения в зависимости от температуры (так называемый график Аррениуса) может давать представление о каналах рекомбинации в полупроводниках и позволяет оценить энергию активации и другие параметры. Измерение ширины пиков фотолюминесценции, как функции температуры, позволяет делать выводы о распределении носителей заряда в структуре. Таким образом можно проводить, например, измерения электрических полей, возникающих в наноструктурахAnufriev 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 и другие непрямые измерения. В целом, т.к. свойства полупроводников сильно зависят от температуры, то низкотемпературная спектроскопия играет важнейшую роль в изучении материалов и наноструктур.

Длина волны возбуждения Явление фотолюминесценции в полупроводниковых образцах, за редким исключением, может происходить только при энергии возбуждения, большей (не резонансное возбуждение) или равной (резонансное возбуждение) ширине запрещённой зоны, то есть с длиной волны, меньшей или равной длине волны, соответствующей этой ширине. Как следствие, изучение полупроводниковых материалов с использованием разных длин волн представляет особый интерес. В частности, сравнение результатов измерений при резонансном и не резонансном возбуждениях может давать представления о процессах релаксации носителей заряда и наличии дефектов в образцеAnufriev 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. Также на изменении длины волны возбуждения основан метод фотолюминесцентной спектроскопии возбуждения (PLE), описанный выше.

Поляризация Фотолюминесцентная спектроскопия позволяет проводить анализ поляризации поглощенного и испущенного излучения. С этой целью перед лазером и монохроматором соответственно устанавливаются поляризаторы. Изучая интенсивность излучения как функцию угла поворота поляризатора, можно сделать выводы о поляризационной анизотропии материала. Таким методом изучают, например, поляризацию нановискеровAnufriev 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/10.1063/1.4804327Titova 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.

См. также Фотолюминесценция Оптическая спектроскопия Спектрофотометрия Ультрафиолетовая спектроскопия Инфракрасная спектроскопия

Литература

Примечания

Категория:Спектроскопия