Name: Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 40 s
Description: Erfahren Sie die phonon-unterstützte Quasi-Resonanzfluoreszenzspektroskopie für hochauflösende optische Spektroskopie von Quantenpunkten. Diese Methode erreicht eine Auflösung besser als ein Mikroelektronenvolt mit Standardausrüstung.

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Die Autoren möchten sich Allan Bracker und Daniel Gammon am Naval Research Laboratory zu bestätigen für die Bereitstellung von Proben untersucht. Diese Arbeit wurde (teilweise) durch die Defense Threat Reduction Agency, Grundlagenforschung Auszeichnung # HDTRA1-15-1-0011, an der University of California-Merced.

Hinweis: Die beschriebene Methodik ist spezifisch für eine bestimmte Software, obwohl andere Softwarepakete stattdessen verwendet werden können. 1. Probenvorbereitung und Cool Down <ol><li> Fabrizieren die Probe. <ol><li> Wachsen , um die Probe, die Stranski-Krastanov Aufwachsverfahren mittels Molekularstrahlepitaxie unter Verwendung Schaffung von zwei vertikal gestapelte selbstorganisierende InAs / GaAs QD , die durch eine 4 nm Tunnelbarriere getrennt sind , wie zuvor beschrieben. 16 einbetten QD in einem elektrischen Feldeffektstruktur ( das heißt Schottky - Diode) unter Berücksichtigung eines elektrischen Feldes an die QDMS angewendet werden. 17 Anmerkung: Die Verwendung von QDMS keine Voraussetzung für das Verfahren ist. Auch die Halbleiter InAs / GaAs sind nicht erforderlich, die Technik von jedem Halbleiterkombination für QDMS oder QD arbeiten. </li><li> Fabrizieren die Proben, so dass einzelne QDs optisch adressiert werden. Tun Sie dies entweder durch Zugabe einer Lochmaske auf die Oberseite der Probe oder mnter eine geringe Dichte Probe mit 10 8 QD / cm 2 oder weniger in Abhängigkeit von der Brennfleckgröße. 18 </li></ol></li><li> Montieren Sie die Probe in den Chip-Header. <ol><li> Tragen Sie eine Legierung aus 50% Wismut, 26,7% Blei, 13,3% Zinn und 10% Cadmium auf dem Keramik-Chip-Header. Heizen Sie den Chip unter Verwendung einer Heizplatte, bis die Legierung verflüssigt. Legen Sie den Boden der Probe auf das verflüssigte Legierung es mit dem Chip-Header zu befestigen. Hinweis: Der Boden der Probe eine der Elektroden der Schottky-Diode ist und der Lötstelle an den Chip-Header ist mit einem Stift verbunden. Eine andere alternative zum Anbringen der Probe ist Leitsilber Epoxid. </li></ol></li><li> Halten Sie 40 G Golddraht von einem Punkt (obere Ecke) der Probe auf dem Chip mit einem Stift. <ol><li> Platzieren eines Tropfens von Silberepoxid auf der oberen Ecke der Probe und ein Tröpfchen auf einer der PIN-Pads auf dem Chip. </li><li> Vorsichtig legen den Golddraht in den beiden Tröpfchen. Hinweis: Die oben auf ter Probe ist die andere Elektrode der Schottky-Diode, die zum Anlegen eines elektrischen Feldes ermöglicht. </li></ol></li><li> Montieren Sie den Chip und die Probe in den Kryostaten und sicherstellen, dass die Probe einen guten thermischen Kontakt mit dem Kupferprobenhalter hat. <ol><li> Bewerben Indium Folie zwischen dem Chip und dem kalten Finger des Kryostaten. </li><li> Druck montieren Sie den Chip auf dem kalten Finger. Verwenden Sie zwei Schrauben mit Unterlegscheiben und ziehen Sie sie fest guten thermischen Kontakt mit dem Kryostaten Kupfer kalten Finger zu gewährleisten. </li></ol></li><li> Befestigen Drähte von den Chip-Pins, die sowohl in den oberen und unteren Elektroden auf der Probe verbunden sind. Führen Sie diese Drähte durch den Kryostaten mit dem Source-Meter. Hinweis: Die Quelle Meter legt eine Vorspannung an die Elektroden der Probe, die QD auf ein äußeres elektrisches Feld ausgesetzt wird. </li><li> Evakuieren und bringen den Kryostaten und Probenkammer Vakuum. Starten Sie die Turbopumpe, Evakuieren auf etwa 10 -6 Torr in Vorbereitung auf die Abkühlung des sample. Hinweis: Kühlen und Temperaturregelung für das Experiment mit dem Kryostaten erreicht, die von einem geschlossenen Kreislauf Kühlschrank und einem angeschlossenen Mikroskopie Probenkammer besteht. </li><li> Starten des Kompressors Kryostaten. Erlauben der Kryostat, das System zu kühlen, bis die gewünschte Temperatur erreicht wird. Hinweis: Für die dargestellten Ergebnisse betrug die Temperatur etwa 18 K. Sobald die Probe abgekühlt wird, ist die Einrichtung bereit für die Installation der Optik, die für die optische Messung ermöglicht, genommen werden. </li></ol> 2. Optik-Setup Hinweis: Für alle Prozeduren einrichten, führen Sie den Laser, Quelle Messer, Spektrometer und CCD entweder über die Software, die vom Hersteller oder anderen benutzerdefinierten Programm zur Verfügung gestellt werden. <ol><li> Für PL Sammlung, legen Sie einen großen Arbeitsabstand 50X Mikroskopobjektiv und Kollimationslinse im Einklang mit der Linse, die das PL-Signal auf das Spektrometer fokussiert. Sammeln Sie das Spektrum durch eine 0,75 mmonochromator , wo das Signal von einem 1.100 mm -1 Gitter und detektiert unter Verwendung eines flüssigen Stickstoff gekühlt 1340 x 100 Pixel CCD - Kamera verteilt ist. </li><li> Unter Verwendung einer Weißlichtquelle, beleuchten die Probe. <ol><li> Stellen Sie das Bild der Probe durch eine externe Kamera und Spektrometer von richtig die alle Optik auf der Detektionsseite Ausrichtung (dh Kollimations- und Fokussierlinse) und bei der Wellenlänge Null erhalten ein sauberes scharfes Bild der Probe auf dem Spektrometer CCD. Hinweis: Es ist hilfreich, eine andere externe Bildkamera, um mit Ausrichtung zu helfen und ein scharfes Bild der Probe zu bekommen. </li></ol></li><li> Nachdem die Detektionsseite eingerichtet ist, konzentrieren sich die Laser auf die Probe. Focus der Strahlfleck auf die kleinste Größe möglich auf der Probe durch Verwendung einer Linse. Verwenden Sie einen durchstimmbaren Diodenlaser mit einem Anregungsbereich, der den Grundzustand Übergangsenergien enthält. Stellen Sie den Laser einfall in einem schrägen Winkel zu der Probe. Ein Vorteil der schrägen Einfall istdass es hilft, ein großer Teil des gestreuten Laserlichts loszuwerden. </li><li> Erregt die Probe bei einer höheren nicht-resonanten Energie. Optimal, tun dies, indem spannend bei einer Energie unterhalb der Benetzungsschicht. Für die InAs / GaAs QDMS in dieser Studie entspricht dies 75 meV oder mehr über den Grundzustandsübergänge. </li><li> Führen Sie das Spektrum Erfassungs-Software im Fokus-Modus. Scannen Sie die Probe über den Laserpunkt unter Verwendung eines XY-Translationsstufe, die zu dem Kryostaten Mikroskopie Probengehäuse angebracht ist. Tun Sie dies, bis das Spektrometer CCD die diskreten Linien der Grundzustandsübergänge erfasst. Zentrieren Sie die Erkennung auf einem der QDMS. Hinweis: Sobald ein QDM gefunden wird, wird die optische Einrichtung abgeschlossen. Für die Proben, die die Grundzustandsenergien verwendet werden, sind rund 1.300 meV. </li><li> Generieren Sie eine Bias-Karte. <ol><li> Anwenden eines Potentials über die Source-Meter (Schritt 1.5), die mit den Elektroden auf der Probe; Dies legt eine Vorspannung an die Elektroden wiederum ein elektrisches Feld an die QDM Erzeugens. Hinweis: Der Vorspannungsbereich an die Probe angelegt 0-2 V über die Schottky-Diodenstruktur. Dies ist, wenn das Gerät in Sperrvorspannung ist, und das elektrische Feld begrenzt die Menge von Ladungen in der QDM für die einzelnen Ladungszustände ermöglicht sichtbar sein. </li><li> Nehmen einzelnen Spektren an verschiedenen erhöht Spannungswerte, je nach gewünschter Auflösung dies in der Regel von Hundertstel bis Tausendstel Volt reicht. Kombinieren Sie diese einzelnen Spektren zusammen durch ein eigenes Programm (zB LabView). Hinweis: Das Programm kann leicht codiert werden eine Vielzahl von verschiedenen Programmen verwendet, um den Vektor Spalten der einzelnen Spektren in eine Matrix verbinden, in dem vorgestellten Experiment dies die Daten zusammen in Echtzeit zum Aufnähen hinzugefügt wurde. <ol><li> Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen einer Vorspannung Karte zu nehmen. Diese Spektren bei einer eingestellten Vorspannung nimmt und es einen Spaltenvektor machen, fügt dann jedes erhöht Bias-Spektren als eine andere Spalte. Hinweis: Dies erzeugt eine Daten matrix, wobei die Intensitätswerte an die PL-Intensität entsprechen, repräsentiert Reihen Energie / Wellenlänge und Spalten an Spannung entsprechen. Die Bias-Karte sollte sichtbar sein, wie es laufen wird, also Live-Feedback über die Qualität der Daten zu ermöglichen. Hinweis: Eine Bias-Karte verschiedene Ladungskonfigurationen und gibt die richtigen Informationen zur Vervollständigung der Einrichtung sowohl der Anregungs- und Detektionswege zu identifizieren hilft. </li></ol></li></ol></li><li> Identifizieren Sie den Übergang, die angeregt werden. Notieren Sie sich die Energie des Übergangs und der Bias Bereich von Interesse. <ol><li> An diesem Punkt entscheiden, wie die Laseranregung wird durch den Übergang abgestimmt werden. Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten, den Laser, um in den Grundzustand Übergang zu erregen: <ol><li> Stimmen Sie die Übergangsenergie durch die Temperatur. 18 </li><li> Verwenden Sie die Stark - Verschiebung des Übergangs Resonanz mit der Laserenergie zu erreichen. 19 Hinweis: Ein nettes Feature der beiden Verfahren, die oben erwähnt is, der eine abstimmbare Laserquelle nicht benötigt wird, da die Übergänge QDM durch einen festen Laserenergie abgestimmt sind. </li><li> Alternativ dazu können Sie eine abstimmbare Laserquelle, die Laserenergien durch den Übergang zu treten. Ein Erfassungssignal vorhanden sein wird, wenn der Laser mit dem Übergang in Resonanz ist, ergibt dies die Messung seiner Laser begrenzte spektrale Auflösung. Dies wird der Fokus für den Rest des Protokolls sein. </li></ol></li></ol></li><li> Mit dem Übergang gesetzt identifiziert und die experimentellen Parameter, wählen Sie beide Anregungs- und Detektions Energien für die Messung. <ol><li> Wählen Sie die Anregungsenergie als die des Übergangs. Wählen Sie die Erkennung als die Energie des angeregten Übergang minus der Energie der longitudinalen optischen (LO) Phononen mit der Halbleiterlegierung verbunden. diese Werte verwenden, wählen Sie die richtigen Kantenpassfilter für die Messung; sie müssen in Cutoffs zwischen den Anregungs- und Detektions Energien haben. Hinweis: Für die Experimental Ergebnisse vorgestellt, die neutrale Grundzustand Exziton die angetriebene Übergang in 3, bei 1,301.7 meV und die -1 LO Phonon Emission bei 1266 meV, entsprechend 952,5 nm und 979,3 nm bzw. angeordnet beobachtet gezeigt war. Wir daher eine 960 nm Kurzpassfilter für das Anregungs verwenden und ein 960 nm Langpassfilter für die Detektion. Interferenzkantenfilter sind für diesen Zweck ideal, da sie durch Einstellen des Winkels eingestellt werden kann. </li></ol></li><li> Stellen Sie den Laser bei der Übergangsenergie von Interesse zu erregen, die einfach durch Eingabe der gewünschten Laserwellenlängenwert in dem entsprechenden Eingabefeld auf der Vorderseite des Lasersteuersoftware durchgeführt wird. </li><li> Die Mittenwellenlänge auf dem vorbestimmten Wert der LO -1 Photonenemission zu überwachen, indem die gewünschte Mittenwellenlängenwert in dem entsprechenden Eingabefeld auf der Frontblende des Spektrometers Steuerungssoftware eingeben. Hinweis: Die -1 LO Photonenemission für InAs / GaAs ist ca.oximately 36 meV unterhalb des Exzitonenübergang, die angeregt werden. </li><li> Mit der Kamera-Software starten Sammlung mit dem CCD durch das Spektrum Erfassungssoftware im kontinuierlichen Modus ausgeführt wird durch den Fokus-Modus-Taste klicken. Ein Signal sollte sichtbar sein oder noch von der Laser-Streulicht versteckt werden könnten. </li><li> Maximieren Sie das Signal. Kritischste Schritt: Stellen Sie den Anregungs Kurzpaßfilter, durch leicht sein Winkel so eingestellt wird, dass es die richtige Wellenlänge Cutoff hat. Hinweis: Der optimale Winkel wird hergestellt, indem das Signal überwachen, während der Winkel des kurzen Passfilter einstellen. Durch Ändern des Winkels des Filters ändert sich die Grenzwellenlänge. Der Schlüssel ist, um sicherzustellen, dass so viel Laserlicht wie möglich aus der Sammlung unterdrückt. </li></ol> 3. Quasi-Resonanz-Messaufbau <ol><li> Stellen Sie experimentellen Parameter auf die Computersteuerung mit dem Hauptbildschirm des kundenspezifische Software. Um dies zu tun, starten Sie die Sammlung Programm und klicken Sie auf the Schritt Polarization, Temp, oder WL-Registerkarte. Dies setzt alle experimentellen Werte und einmal laufen, sammelt Daten über die verschiedenen Parameter. Hinweis: Für unser Experiment Daten nehmen alle Computer-Kontrollen wurden benutzerdefinierte programmiert. Der Schlüssel ist es, eine Software oder Programmierung der Lage, die Mittenwellenlänge des Spektrometers einzustellen, die CCD und Source Meter steuern und um die Laserenergie durch den Übergangsschritt, während eine Reihe von Spektren bei unterschiedlichen Vorspannungen zu sammeln. <ol><li> Geben Sie den etablierten Laserenergiebereich, die der Laser-Scan durch wird: von etwa 50 μeV über der neutralen Exzitonenübergang Energie von 1,301.7 meV bis 50 μeV unten. Stellen Sie die anfängliche Wellenlänge den Scan mit dem &quot;Desired WL (nm)&quot; Feld zu starten. Stellen Sie das Ende des Lasers abzutasten ( &quot;End Motor Unit&quot;). </li><li> Stellen Sie den Bias-Bereich, die die Quelle Meter durch Klicken auf die &quot;Voltage Settings&quot; einfach durch wird. Stellen Sie den Start Bias value ( &quot;Voltage Start (V)&quot;), das Ende Vorwert &quot;Voltage End (V)&quot; und die Bias-Schrittgröße &quot;Voltage Schritt (V)&quot;. Hier gescannt die Bias-Bereich war 1,68-1,82 V. </li><li> Geben Sie die Integrationszeit durch einen Klick auf den &quot;Camera Settings&quot; gewählt. Stellen Sie die Integrationszeit für die CCD unter &quot;Exposure (s)&quot; (siehe 3.3 zu Schritt). Wählen Sie eine angemessene Integrationszeit für die CCD. Experimentieren Sie mit der Integrationszeit ein gutes Signal zu erhalten. Je größer die Integrationszeit die bessere Signalmittelung , die erhältlich ist. 20 Hinweis: Die Integrationszeiten für das Experiment verwendet wurden, waren 10 Sek. Jedoch kann Integrationszeiten als 0,5 sec so niedrig sein, abhängig von der Stärke des Signals PL. Manchmal ist es nicht einmal notwendig, das Signal in einzelnen Scans zu sehen, aber die Spektren zusammen die Datensummation sowie die Fähigkeit des Auges beim Vernähen zu interpolieren, werden die Übergänge in der Photolumineszenz-Anregung (PLE) map offenbaren. </li&gt; </ol></li></ol> 4. Datenerfassung <ol><li> Sobald die experimentellen Parameter festgelegt werden, das Experiment zu beginnen. Starten Sie Sammlung durch den Run-Button klicken. Hinweis: Bei jeder Laserenergie variiert die Software die Vorspannung ein Spektrum und ein Hintergrundspektrum nehmen. Dies wird für jede Bias Schritt erfolgen. Dann wird die Laserenergie variiert wird und der Prozess wird fortgesetzt, bis der gesamte Bereich gewählt abgeschlossen ist. </li><li> Post-Prozess die Daten. <ol><li> Nehmen die zusätzlichen Hintergrund-Scans, der am Ende eines jeden Bias Karte entnommen und subtrahieren den Mittelwert von jeder der Bias-Spalten. Verwenden Sie ein Untergrundsubtraktion Programm oder ein Programm schreiben, das die Hintergrund Spalten nimmt, mittelt diese zusammen und ziehen Sie diese Hintergrundspektren von jeder Voreingenommenheit Spalte in der Datenmatrix gemittelt. Hinweis: Siehe Zusatzcode-Datei für das Programm verwendet in unserem Labor. Hinweis: Dies beseitigt andere Störsignale, die durch das verbleibende gestreute Laserlicht, stark im,Nachweis der Bias-Karte. </li></ol></li><li> Analysieren Sie die Daten. <ol><li> Zum Beispiel können die charakteristischen Parameter der Spektrallinie zu extrahieren , eine mathematische Anpass - Software verwenden , um eine Lorentz - Einbau an jedem Bias slice der PL Karte auszuführen. 21 Wenn der Anpassungsprozedur alle Informationen abgeschlossen ist in den Koeffizienten des Beschlages so sein wird wie die maximale Intensität, spektralen Lage und FWHM. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die obige Anleitung demonstriert die Methode der phononengestützten Quasi-Resonanzspektroskopie. Durch die Anregung in einen diskreten QD-Zustand kann die Phononenemissionsleitung überwacht werden, wodurch hohe Auflösungen erreicht werden. Im vorliegenden Beispiel ist es sogar möglich, mit Hilfe von Phononen die lebensdauerbegrenzte Linienbreite des neutralen Exzitons aufzulösen, die in Experimenten sichtbar ist. Die Methode lässt sich leicht in bestehende PL-Spektroskopie-Setups integrieren. Wie bereits erwähnt, wird na...

Eine hohe Auflösung ist der Schlüssel zu neuem Wissen zu erschließen. Mit diesem Wissen können neue Technologien wie bessere Sensoren entwickelt werden, so, präziser Herstellung von Werkzeugen und effizienter Recheneinrichtungen. Die Erzeugung dieser Schlüssel, kommt jedoch oft mit hohen Kosten von Ressourcen, Zeit oder beides. Dieses Problem wird in allen Skalen von den Atomphysik allgegenwärtig der Lösung der hob Entartungen von Elektronen in die Astronomie dreht , wo eine kleine spektrale Verschiebung auf die Erfassung von Planeten neben fernen Sternen führen kann. 1,2,3 Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf einem Standard-Spektrometer Setup verwenden und das zeigt, wie es spektrale Merkmale unterhalb seiner Auflösungsgrenze lösen können, vor allem im Hinblick auf den Bereich der Halbleiter-Optik. Das Beispiel dargestellt ist , dass der anisotrope Elektron-Loch (eh) Austauschaufspaltung in InAs / GaAs Quantenpunkten (QD), die in der Größenordnung von wenigen μeV ist. 4 Die Auflösungsgrenze des Spektrometers cein durch die Kombination von Standard-PL und Laserspektroskopietechniken überwunden werden. Diese Methode der quasi-Resonanzfluoreszenz hat den zusätzlichen Vorteil der Laser begrenzte Auflösung Erzielung einer alltäglich einstufigen Spektrometers. Eine herkömmliche optische Spektroskopiesystem für Einzel QD PL-Spektroskopie besteht aus einem einstufigen 0,3-0,75 m Monochromator und einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) -Detektor zusammen mit einer Anregungslaserquelle und Optik. Ein solches System ist im besten Fall mit einem Auflösevermögen 50 μeV im nahen Infrarotspektrum um 950 nm. Auch bei der Verwendung von statistischen und Entfaltungstechniken, wie ein einzelner Monochromator Einrichtung ist nicht in der Lage die Lösung weniger als 20 μeV in PL - Messungen. 5 Diese Auflösung auch unter Verwendung eines Dreifach - Spektrometers verbessert werden kann, in triple additive Modus, in dem das Spektrum nacheinander durch alle drei Gittern dispergiert sind. Die Dreifach-Spektrometer hat den Vorteil einer erhöhten Auflösung, der fähig Auflösungsrund 10 μeV. In einer alternativen Ausgestaltung triple subtraktiven Modus werden die ersten zwei Gitter verhalten sich wie ein Bandpassfilter, das zusätzliche Merkmal des Gebens der Lage, die Anregung und Detektion von weniger als 0,5 meV voneinander zu trennen. Der Nachteil des Dreifach-Spektrometers ist, dass es ein teures System. Bevor das Verfahren von Interesse präsentieren, diskutieren wir kurz andere experimentelle Ansätze, die mit zusätzlicher Komplexität, erzielen bessere spektrale Auflösung und sind in der Lage, die Feinstruktur von einzelnen QD zu lösen. Elemente dieser Verfahren sind die für die vorgestellten Verfahren. Ein solches Verfahren ist die Zugabe eines Fabry-Perot - Interferometer (FPI) in der Detektionspfad eines einzelnen Spektrometer - Setup. 6 Mit dieser Methode die Auflösung durch die Finesse des FPI eingestellt ist. Somit wird das Spektrometer die Auflösung auf 1 μeV verbesserte sich auf Kosten der zusätzlichen Komplexität und geringere Signalintensität. 7 Das Interferometer Verfahren ändert sich auch die allgemeine operation des Spektrometers mit der CCD-Kamera, werden effektiv eine einzige Punktdetektor und der Abstimmbereich durch verschiedene Energien wird durch Einstellen des FPI Hohlraum selbst erreicht. Resonanzfluoreszenz (RF) -Spektroskopie, ein weiteres Verfahren, bei dem ein einzelner optischer Übergang beide erregt und überwacht bietet auch das Versprechen von hochauflösenden Spektroskopie. Die spektrale Auflösung ist nur durch die Laserlinienbreite begrenzt und hält die CCD als ein Mehrkanal-Detektor, wobei nicht nur ein Sensor das Signal erfasst, aber eine Anzahl von CCD-Pixeln. Diese mehrkanaligen Detektion ist in Bezug auf die Signalmittelung vorteilhaft. Die Herausforderung bei der RF-Spektroskopie Trennen des PL-Signal von dem größeren Hintergrund des Laserlichts gestreut, insbesondere wenn an der einzelnen QD Ebene zu messen. Eine Anzahl von Techniken kann verwendet werden , um das Verhältnis von Signal zu gestreuten Laserlichts zu verringern, die umfassen entweder Polarisations 8, 9 oder räumliche zeitliche Trennung 10der Anregung und Detektion. Die erste ist , hohe Extinktion Polarisatoren verwenden , um das Streulicht zu unterdrücken, aber dieses Verfahren hat den nachteiligen Ausgangs Polarisationsinformation von dem PL zu verlieren. 8 Ein weiteres mögliches Verfahren Resonanzfluoreszenz zu erhalten , wird Halbleitersysteme zu konstruieren, die optische Hohlräume gekoppelt sind , wo die Anregungs- und Detektionswegen sind räumlich voneinander getrennt. Dadurch entfällt das Problem der mit dem PL-Signal von dem großen Laser Hintergrund zu lösen. Jedoch ist dieses Verfahren auf komplizierte Probenherstellungs beschränkt , die im allgemeinen ressourcenintensiv ist. 9 Eine andere Klasse von Methoden, die auch in der Lage ist Minute Energieunterschiede zu lösen, ist die von reinem Laserspektroskopie, wie Differentialgetriebe, das den Vorteil der Erzielung Laserbegrenzte Auflösung mit vollständiger Polarisationsinformation aufweist. Dieses Verfahren erfordert typischerweise Lock-in-Erkennung winziger Änderungen in der trans zu beobachtenMission Signal im Vergleich zu dem des großen Laser Hintergrund. 11 In letzter Zeit Fortschritte in der Nanofabrikations zu einer Erhöhung des Anteils von Laserlicht geführt haben , die mit der QD (n) auf Werte bis zu 20% fest, indem man entweder Index angepassten interagiert Tauch Linsen oder die Punkte in photonischer Kristall - Wellenleiter eingebettet werden . 12 Obwohl diese Verfahren die Fähigkeit zur Erzielung einer hohen Energieauflösung aufweisen, kommen sie auf Kosten der teuren Ausrüstung, komplexe Probenherstellung und Informationsverlust. Das Verfahren in dieser Arbeit verbindet Elemente aus diesen drei Methoden ohne die Komplexität in der Instrumentierung oder Probenherstellung zu einem regulären PL-Setup hinzufügen. Neuere Arbeiten haben mit einem Triple - Spektrometersystem subtraktiven Modus gezeigt , dass es möglich ist , den Singulett-Triplett - Feinstruktur im Zwei-Photonen - Übergang Spektrum eines Quantenpunkt - Molekül (QDM). 13 der beteiligten Energieaufspaltung in der Größenordnung zu visualisierenvon einigen bis einigen zehn μeV wurden unter Verwendung eines dreifachen subtraktiven Modus gelöst, die die Übergänge resonant und erkennen innerhalb von weniger als einer meV zu erregen erlaubt. Die spektrale Information wurde durch die Überwachung unter dem Übergang extrahiert mit akustischen Phononen und andere tiefer liegende Exzitonen-Übergänge. Dieses Verfahren kann auch die anisotrope eh Austauschaufspaltung und sogar die Lebensdauer begrenzte Linienbreite des Exzitonenübergang von 8 μeV und 4 μeV jeweils wie in Abbildung 1 zu sehen zu lösen angewendet werden. Ähnlich zu diesem Ergebnis, wird dieses Papier konzentrieren sich auf einfache Spektrometer-Setup, das besitzen Methoden viele der Vorteile, die die anderen hohen Auflösung übernehmen wird. Zusätzlich wird die CCD als ein Mehrkanaldetektor sein. Der experimentelle Aufbau kann auch relativ kostengünstig im Vergleich zu anderen hochauflösende Spektroskopie Methoden gehalten werden, und hat den zusätzlichen Vorteil der Einzelpunktkorrelationsmessungen zu erreichen, leicht modifiziert werden. Im Gegensatz zu dem Ergebnis, using akustischen Phononen und ein Triple-Spektrometer, ist die zugrunde liegende Taste Verwendung des LO-Phonon-Satelliten mit den Halbleitern und verwandten Legierungen assoziiert zu machen, die Halbleiterproben bilden. Der Energieabstand zwischen LO-Phonon - Satelliten und dem Null-Phonon - Linie (ZPL) in der Größenordnung von einigen zehn meV für solche Proben, so dass die Verwendung eines einstufigen Spektrometers. 14 Diese Energieabstand für die Verwendung der vorgeschlagenen quasi ermöglicht -Resonanz-Spektroskopieverfahren nach resonant einen Übergang und Überwachung unter der Anregung durch eine Energie gleich einem LO Phonon antreibt. Diese Technik ist analog zu der von PL Anregungs wo man in einen angeregten Übergang anregt und überwacht den Grundzustandsübergang. 15 die Trennung zwischen dem Übergang angeregt wird , und dass der LO-Phonon - Satelliten ermöglicht die Verwendung von Kantenpassfiltern der zu unterdrücken , elastisch gestreute Licht. Diese Methode der Phonon-Satelliten unter Verwendung ermöglicht Laser-Linienbreite begrenzte Auflösungresonant spannend ist, da der Übergang typischerweise die einzige Zeit, die die LO-Phonon-Satelliten Emission sichtbar wird.

<table><tbody><tr><td>Abstimmbarer Diodenlaser DL pro</td><td>Toptica Photonics</td><td>DL Pro</td><td></td></tr><tr><td>Kryofreies Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf für die Mikroskopie</td><td>Cryo Industries of America Inc.</td><td>Cryocool G2</td><td></td></tr><tr><td>Sourcemeter</td><td>Keithley&nbsp;</td><td>2611a</td><td></td></tr><tr><td>50X Mitutoyo Plan Apo NIR unendlich korrigiertes Objektiv</td><td>Mitutoyo America Corporation</td><td>378-825-5</td><td></td></tr><tr><td>Turbopumpe</td><td>Pfeiffer Vacuum</td><td>HiPace 80</td><td></td></tr><tr><td>NIR beschichtete Spiegel&nbsp;</td><td>Thor Labs</td><td>BB1-E03</td><td></td></tr><tr><td>Polarisatoren&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>LPNIR050-MP</td><td></td></tr><tr><td>200&nbsp; mm AR-beschichtetes achromatisches Objektiv&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-200-B-ML</td><td></td></tr><tr><td>100&nbsp; mm AR-beschichtetes achromatisches Objektiv&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>AC254-100-B-ML</td><td></td></tr><tr><td>960 Langpassfilter</td><td>Thorlabs</td><td>960aelp</td><td></td></tr><tr><td>960 Kurzpassfilter</td><td>Thorlabs</td><td>960aesp</td><td></td></tr><tr><td>Flüssigkristall Variabler Verzögerer</td><td>Meadowlark Optics</td><td>LVR-100</td><td></td></tr><tr><td>0.75&nbsp; m Spektrometer Acton SpectraPro</td><td>Princeton Instruments</td><td>Trivista</td><td></td></tr><tr><td>Kamera mit Flüssigstickstoff</td><td>Princeton Instruments</td><td>7508-0002</td><td></td></tr><tr><td>Externe Kamera</td><td></td><td>Watec Wat-902H Ultimate</td><td>Optional</td></tr><tr><td>Ostoalloy</td><td>Lake Shore Cryotronics</td><td>Ostalloy 158</td><td></td></tr><tr><td>Golddraht (40 Gauge)</td><td>Surepure Chemetals</td><td>Au-Wire-03-02</td><td></td></tr><tr><td>Silber Epoxid</td><td>A.I. Technologie</td><td>Prima-Solder EG8020</td><td></td></tr><tr><td>Programmsoftware&nbsp;</td><td>National Instruments&nbsp;</td><td>LabView</td><td></td></tr></tbody></table>

hohe auflösung phonon-unterstützte quasi- resonanzfluoreszenzspektroskopie

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

Hochauflösende optische Spektroskopieverfahren sind entweder in Bezug auf Technologie, Ausrüstung, Komplexität, Zeit oder einer Kombination aus diesen anspruchsvoll. Hier zeigen wir eine optische Spektroskopieverfahren, die zur Lösung von spektralen Merkmale darüber hinaus, dass der Spin-Feinstruktur und homogene Linienbreite von einzelnen Quantenpunkten (QP) unter Verwendung eines Standard, einfach zu bedienendes Spektrometer Setup-fähig ist. Dieses Verfahren umfasst sowohl Laser- und Photolumineszenzspektroskopie, den Vorteil der Laserlinienbreite begrenzten Auflösung mit Mehrkanal-Photolumineszenz Detektions kombiniert. Ein solches System ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Auflösung gegenüber einem gemeinsamen Spektrometer einstufig. Das Verfahren verwendet Phononen in der Messung der Photolumineszenz eines einzelnen Quantenpunkts nach resonante Anregung seiner Grundzustandsübergang zu unterstützen. Die Energiedifferenz der Phononen kann man zu trennen und das Laserlicht Anregung der Quantenpunkt auszufiltern. Eine vorteilhafte fetur dieser Methode ist, seine geradlinig Integration in Standard-Spektroskopie-Setups, die für die meisten Forscher zugänglich sind.

Die Ergebnisse in den vorgelegten Zahlen zeigen die hohe Auflösungsvermögen von Phononen, um bei der PL Messung. Die schematische Darstellung (2) zeigt , dass mit Ausnahme der Kantenpassfilter sowohl Anregung und Detektion, die experimentelle Aufbau bleibt ein Standard - Spektroskopie Aufbau mit der optionalen Zugabe von Polarisationssteuerung. Der Vergleich mit einer einzelnen und dreifachen Spektrometer (Bild. 3) das Bild der Phonon-unterstützte große ...

Das Manuskript beschreibt eine Methode der phonongestützten quasi-resonanten Fluoreszenzspektroskopie, die sowohl laserbegrenzte Auflösung als auch Photolumineszenzspektroskopie (PL) umfasst. Diese Methode nutzt optische Phononen, um linienbreitenbegrenzte Auflösungsspektren von atomartigen Halbleiterstrukturen im Energiebereich zu liefern. Die Methode lässt sich auch leicht mit einem optischen Spektroskopie-Aufbau mit einem einzigen Spektrometer realisieren.

Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

Das übergeordnete Ziel der phononunterstützten quasiresonanten Fluoreszenzspektroskopie besteht darin, eine auf die Laserlinienbreite begrenzte Auflösung der optischen Spektren strukturähnlicher Halbleitersysteme mithilfe eines standardmäßigen photolumineszenten Spektroskopieaufbaus zu erreichen. Diese Methode ermöglicht Untersuchungen in der Halbleiter-Optikspektroskopie, die mit nulldimensionalen Systemen wie Quantenpunkten, Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant und Defekten in Siliziumkarbid zusammenhängen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie in der Lage ist, hochaufgelöste optische Spektren von Energiefunktionen unterhalb von 10 µeV zu erhalten, wobei gleichzeitig die Polarisationsinformation erhalten bleibt.Die Implikationen dieser Technik erweitern die Leistungsfähigkeit der optischen Spektroskopie aufgrund ihrer Fähigkeit, hochauflösende optische Spektren zu erhalten. Personen, die neu in der Methode sind, werden Schwierigkeiten haben, das Signal zu finden. Die größte Hürde besteht darin, einen einzelnen Spektrometer und einen Extinktionsfilter zu verwenden, um Streulaserlicht zu eliminieren.Beginnen Sie mit dem Material oder Gerät, das im Experiment verwendet wird. Dieses Gerät verfügt über auf einen Chip montierte Quantenpunkt-Moleküle. Eine Übersicht über die Quantenpunkt-Moleküle wird in diesem Schema bereitgestellt.Es gibt zwei Schichten aus Indiumarsenid-Quantenpunkten, die zwischen den Galliumarsenid-Schichten eingebettet sind. Jeder Quantenpunkt kann optisch adressiert werden. Die Quantenpunkt-Moleküle befinden sich im intrinsischen Bereich einer Schottky-Diode, wodurch ein elektrisches Feld angelegt werden kann.Der erste Schritt besteht darin, das Gerät am Kältefinger des Kryostaten zur Abkühlung zu befestigen. Bevor der Chip am Kältefinger befestigt wird, bringen Sie eine Indiumfolie auf, auf der der Chip aufliegen soll. Danach setzen Sie den Chip an die vorgesehene Position auf die Folie.Verwenden Sie Schrauben und Unterlegscheiben an jedem Ende des Geräts, um es fest am Kältefinger anzuziehen und einen guten Wärmeübergang sicherzustellen. Anschließend befestigen Sie die Elektrodenleitungen des Geräts an den Kontakten im Kryostaten, die mit einem Source-Meter verbunden sind. Befestigen Sie nun den Kryostaten auf einer XYZ-Verstellplatte, sodass die Probe für optische Sonden zugänglich ist.In diesem Fall befindet sich die Translationsstufe bereits im optischen Pfad des Experiments. Evakuieren Sie den Kryostaten, bevor Sie ihn auf die gewünschte Temperatur abkühlen. Sobald die Probe abgekühlt ist, beginnen Sie mit der Arbeit an den optischen Elementen.Verwenden Sie für die Photolumineszenz ein Objektiv mit großer Arbeitsdistanz und eine Kollimationslinse, um das Licht von der Probe einzufangen. Leiten Sie das Licht anschließend mithilfe von Spiegeln auf ein einkristallines Spektrometer weiter. Zur Detektion der Spektren setzen Sie eine mit Stickstoff gekühlte CCD-Kamera ein.In diesem Experiment verwenden wir die letzte Stufe eines Dreifach-Spektrometers. Zum Ausrichten befestigen Sie eine weiße Lichtquelle in der Nähe der Probe. Beleuchten Sie die Probe vor dem Fortfahren mit der Quelle.Verwenden Sie eine separate Kamera, um das Bild der Probe im Spektrometer aufzunehmen. Richten Sie auf dem Tisch die kollimierenden und fokussierenden Linsen sorgfältig aus, um das Bild der Probe schärfer zu stellen. Beenden Sie die Ausrichtung erst, wenn ein sauberes, scharf fokussiertes Bild in der Kamera erscheint.Nachdem die Lichtquelle entfernt wurde, bereiten Sie einen Laser vor, um die Probe anzuregen. Verwenden Sie einen abstimmbaren Diodenlaser, der auf eine Energie eingestellt ist, die oberhalb der Übergänge des Grundzustands liegt. Leiten Sie den Laser unter einem schrägen Winkel auf die Probe, um die Detektion von Streulicht zu verringern.Verwenden Sie eine Linse, um den Strahlfleck auf die kleinstmögliche Größe auf dem von der Kamera erfassten Bereich zu fokussieren. Eine Übersicht über den Versuchsaufbau an dieser Stelle zeigt dieses Schema. Beachten Sie den schrägen Winkel des Laserlichts auf die Probe zur Rauschunterdrückung.Verwenden Sie den Laser, um ein höheres, nicht-resonantes Energieniveau anzuregen, und führen Sie die Spektrumserfassungssoftware im Fokusmodus aus, um das Signal zu beobachten. Nutzen Sie die Translationsstufe der Probenhalterung, um die Probe durch den Laserfleck zu scannen. Sobald die CCD die diskreten Linien der Übergänge des Grundzustands erfasst, beenden Sie den Scanvorgang.Konzentrieren Sie sich auf ein einzelnes Quantenpunkt-Molekül und optimieren Sie das Signal, indem Sie die Position des Laserstrahls feinjustieren. Als nächster Schritt wird eine Bias-Karte mithilfe der Lap-Steuerungssoftware erstellt. Die Software legt zunächst mit einem Source-Meter eine Bias-Spannung über die Proben-Elektroden an.Anschließend wird das mit diesem Bias-Wert assoziierte Spektrum aufgezeichnet. Die Karte wird erzeugt, indem das Bias-Potential in regelmäßigen Abständen erhöht wird, das Energiespektrum bei jedem Bias-Wert aufgezeichnet wird und die Daten zur Erstellung dieser Darstellung verwendet werden. Anhand einer Bias-Karte identifizieren Sie den Übergang, der angeregt wird.Beachten Sie die Übergangsenergie und den interessierenden Vorspannungsbereich. In dieser Abbildung wird der Übergang durch Scannen der Probentemperatur durchlaufen. Ein Nachweissignal ist vorhanden, wenn der Laser mit dem Übergang resonant ist.Verwenden Sie den gewählten Übergang, um Kantenausfilterungen für den optischen Aufbau festzulegen. Die Übergangsenergie begründet einen Kurzpassfilter bei 960 Nanometer für den Anregungszweig. Eine longitudinal-optische Phononenausstrahlungsenergie der Halbleiterlegierung begründet einen Langpassfilter bei 960 Nanometer für den Detektionszweig.Die Art des Filters in der Versuchsanordnung kann spätere Schritte vereinfachen. Interferenz-Kurzwellenfilter sind ideal, da sie durch Einstellung des Winkels abgestimmt werden können. Stellen Sie am Computer die Laseranregungsenergie und die Frequenz des longitudinalen optischen Phonon-Zentrums erster Ordnung ein.Schalten Sie die CCD ein und sammeln Sie die Spektren im kontinuierlichen Modus. Das Signal kann zu diesem Zeitpunkt durch Streuung überdeckt sein. Um das Signal zu maximieren, kehren Sie zur Arbeitsplatte zurück.Stellen Sie dort den Kurzpassfilter ein, indem Sie den Winkel so anpassen, dass die geeignete Wellenlängengrenze erreicht wird. Überwachen Sie das Signal zur Rückkopplung, um den optimalen Winkel zu bestimmen. In der Laborsteuerungssoftware stellen Sie die Laserenergie so ein, dass ein Bereich gescannt wird, der um die Übergangsenergie zentriert ist, und legen Sie den Bereich der zu durchmessenden Vorspannungsspannungen fest.Diese Vorspannungskarte wurde erstellt, indem die Laserenergie eingestellt und die Vorspannung über ihren gesamten Bereich variiert wurde, um ein Spektrum aufzuzeichnen, wobei dieser Vorgang über den gesamten Bereich der Laserenergien wiederholt wurde. Durch die gleichzeitige Erfassung von Hintergrunddaten können diese beiden Datensätze in der Nachbearbeitung verwendet werden, um störende Signale zu entfernen und ein verbessertes Bild zu erzeugen. Wie in diesen schematischen Darstellungen zu sehen ist, unterscheidet sich der experimentelle Aufbau für die phononunterstützte Spektroskopie kaum von dem der Standard-Spektroskopie.Der einzige Unterschied besteht in der Anwesenheit von Kantenfiltern sowohl auf dem Detektions- als auch auf dem Anregungsstrahlengang bei der Phonon-unterstützten Methode. Um diese Technik mit anderen zu vergleichen, betrachten Sie die Auflösung eines neutralen Exzitons. Diese Daten stammen von einem einzelnen Spektrometer mit nicht-resonanter Anregung bei etwa 918 Nanometern.Die spektrale Auflösung beträgt etwa 26 Mikroelektronenvolt pro Pixel, und die Elektron-Loch-Austauschwechselwirkung kann nicht aufgelöst werden. Wenn derselbe spektrale Bereich mit einem Spektrometer im dreifachen additiven Modus untersucht wird, liegt die Auflösung bei etwa 10 Mikroelektronenvolt. Die Elektron-Loch-Aufspaltung beginnt sich abzuzeichnen. Mithilfe der quasiresonanten, phononunterstützten Spektroskopiemethode im gleichen spektralen Bereich ist die Auflösung laserbegrenzt und erreicht eine Auflösung von besser als ein Mikroelektronenvolt, wodurch die beiden Peaks gut getrennt werden können. Die rote Kurve zeigt das Ergebnis einer Doppel-Lorentz-Anpassung. Sie deutet auf eine isotrope Elektron-Loch-Austauschaufspaltung von etwa 23,3 Mikroelektronenvolt hin.Wenn man diese Technik einmal beherrscht, kann sie innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass nach dem Erhalt des Photolumineszenzsignals der Schlüssel zu einem guten Spektrum darin besteht, das Laserlicht von der Photolumineszenz trennen zu können. Nach diesem Verfahren können weitere Ergänzungen an dem Aufbau vorgenommen werden, beispielsweise die Hinzufügung von Polarisationsanalysatoren sowohl in den Anregungs- als auch in den Detektionspfad.Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik Forschern auf dem Gebiet der Halbleiterphysik den Weg, um null-dimensionale Systeme wie Quantenpunkte weiter zu erforschen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein sehr gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die phononunterstützte Quasi-Resonanz-Fluoreszenzspektroskopie-Methode verwenden können, um hochauflösende optische Spektren atomähnlicher Festkörpersysteme zu erhalten. Vergessen Sie nicht, dass das Arbeiten mit Lasern äußerst gefährlich sein kann, und achten Sie darauf, stets geeignete Sicherheitsausrüstung zu tragen, wenn Sie diese Experimente durchführen.

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Hohe Auflösung Phonon-unterstützte Quasi- Resonanzfluoreszenzspektroskopie

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