Artículo de método

Espectroscopía de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo de nanocristales semiconductores y otros fluoróforos

DOI:

10.3791/64101

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4 de agosto de 2022

1Department of Physics, University of Alberta

En este artículo

Resumen

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Este artículo presenta un procedimiento experimental sobre la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo. Se describirá el hardware utilizado en muchas configuraciones de conteo de fotones individuales y se presentará un procedimiento básico. Esto tiene como objetivo ayudar a los estudiantes y experimentadores a comprender los parámetros clave del sistema y cómo configurarlos correctamente en configuraciones de fotoluminiscencia resueltas en el tiempo.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) es una técnica clave para comprender la fotofísica de los nanocristales semiconductores y los materiales emisores de luz en general. Este trabajo es un manual para la configuración y realización de TRPL en nanocristales y materiales relacionados utilizando sistemas de recuento de fotones individuales (SPC). Las fuentes básicas de error en la medición pueden evitarse teniendo en cuenta la configuración experimental y la calibración. Se discutirán las propiedades del detector, la tasa de conteo, la respuesta espectral, las reflexiones en configuraciones ópticas y los ajustes específicos de la instrumentación para el conteo de fotones individuales. La atención a estos detalles ayuda a garantizar la reproducibilidad y es necesaria para obtener los mejores datos posibles de un sistema SPC. El objetivo principal del protocolo es ayudar a un estudiante de TRPL a comprender la configuración experimental y los parámetros de hardware clave que generalmente se deben comprender para obtener datos útiles de TRPL en muchas configuraciones comunes de conteo de un solo fotón. El propósito secundario es servir como un cebador condensado para el estudiante de espectroscopía experimental de luminiscencia resuelta en el tiempo.

Introducción

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La fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) es un método importante y estándar para estudiar la fotofísica de materiales luminiscentes. Los sistemas de medición TRPL pueden ser configuraciones abiertas construidas por el experimentador o pueden ser unidades autónomas compradas directamente a un fabricante. Las configuraciones abiertas se consideran superiores a las unidades TRPL de "caja cerrada" porque permiten un control más experimental y formas adicionales de recopilar datos útiles; sin embargo, exigen una comprensión más completa de la medición. TRPL se emplea ampliamente en el desarrollo de dispositivos luminiscentes y siempre debe informarse junto con el espectro de emisión básico de nanocristales semiconductores y otros materiales emisores de luz. Hay muchos métodos para hacer TRPL; Este manual se centra en los sistemas de recuento de fotones individuales.

Antes de comenzar, es importante reconocer una serie de trabajos previos. En primer lugar, los Principios de la Espectroscopia de Fluorescencia de Joseph Lakowicz1 es un gran compendio que contiene un capítulo sobre los métodos TRPL. La Introducción a la Espectroscopia de Fluorescencia de Ashutosh Sharma contiene un capítulo ahora algo anticuado sobre los fluorímetros resueltos en tiempo y fase2 utilizados principalmente por químicos y biólogos. Espectroscopía de fluorescencia: nuevos métodos y aplicaciones3 sigue siendo valioso a pesar de tener más de 20 años. La información y los avances más recientes se pueden encontrar en los manuales y notas técnicas 4,5,6,7,8. También hay algunos excelentes capítulos, reseñas y libros electrónicos dedicados a una introducción general a los métodos TRPL 9,10,11,12,13,14,15.

Los métodos de conteo de fotones individuales (SPC) son comunes y ampliamente empleados, pero hay varios conceptos que los estudiantes de espectroscopia de fluorescencia deben aprender para obtener buenos datos. Los principios aquí expuestos son generales y aplicables a una amplia gama de experimentación SPC. Por supuesto, una vez que se han recopilado los datos, los algoritmos y métodos de adaptación son otro arte esencial. El ajuste del modelo TRPL es de vital importancia y a menudo se realiza de manera incorrecta a pesar de que muchos trabajos anteriores se han centrado específicamente en este tema en particular 16,17,18,19. El presente trabajo, sin embargo, se centra principalmente en los aspectos experimentales de la TRPL.

La razón de ser de este trabajo es desarrollar una guía completa para realizar TRPL con módulos comunes de conteo de un solo fotón (SPC). Debido a que estos sistemas son técnicamente complicados, una buena comprensión de las variables experimentales básicas es importante para optimizar la recopilación de datos y minimizar la aparición de artefactos evitables. Si bien técnicas como la compuerta óptica Kerr y equipos como las cámaras de rayas presentan oportunidades especiales para TRPL15 ultrarrápido, los desarrollos técnicos recientes en el campo de SPC han hecho que TRPL de nanosegundos y subnanosegundos sea fácilmente accesible para casi cualquier laboratorio de óptica experimental. SPC también ofrece mejoras en la velocidad y la resolución con respecto a los métodos más antiguos, como las combinaciones de fotodiodo y osciloscopio.

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Protocolo

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1. Preparación

  1. Siga todos los procedimientos de seguridad del equipo y del láser para el laboratorio. Realice siempre las alineaciones con la mínima potencia láser posible. Use gafas de seguridad láser adecuadas.
  2. Verifique el espectro PL de la muestra antes de conectar la salida a la configuración SPC. Asegúrese de que el espectro se vea como se esperaba y que no haya luz láser de excitación presente. Es posible que sea necesario reducir el PL debilitando la fuente de excitación o utilizando filtros de densidad neutra.
    NOTA: Advertencia: demasiada luz puede dañar permanentemente el detector SPC.
  3. Asegúrese de minimizar la cantidad de luz láser reflejada o dispersa que ingresa a la óptica de la colección, ya que esta es una fuente importante de artefactos.

2. Configuración y prealineación

NOTA: La mayoría de estos pasos deberían ser necesarios solo si se está creando una nueva configuración.

PRECAUCIÓN: Al realizar alineaciones, use las gafas de seguridad láser adecuadas. Quítese los artículos personales reflectantes, como joyas o un reloj de pulsera. Se pueden producir daños en el equipo si el detector se expone a demasiada luz o si utiliza voltajes de entrada inadecuados para su equipo específico.

  1. Usa un cuaderno y haz un boceto primero. Utilice siempre al menos dos espejos. Los espejos ayudan a alinear el rayo láser. Para SPC, la configuración debe ser similar a la que se muestra en la Figura 1; para decaimientos lentos usando un modulador acústico-óptico (ver Discusión), se verá similar al que se muestra en la Figura 2.
  2. Tenga una muestra que sea una oblea plana o un portaobjetos, o una solución en una cubeta. Use un portaobjetos o cubeta hecha de sílice fundida transparente o cuarzo. No se deben utilizar portaobjetos de microscopio ni viales de vidrio porque tienen un fondo de PL blanquecino débil y absorben los rayos UV.
  3. Intente hacer que las líneas del haz corran a lo largo de las direcciones de la mesa óptica. Asegúrese de que las perillas de apriete de los soportes de los postes sean fácilmente accesibles. Trate de mantener el haz horizontal tanto como sea posible.
  4. Si usa fibras ópticas, elija las fibras adecuadamente. Hay diferentes diámetros de fibra y diferentes rangos de longitud de onda (fibras optimizadas para UV vs. NIR). Para señales débiles, use una fibra de gran diámetro. Evite "mezclar y combinar" fibras de diferentes tipos. TRPL puede requerir fibras largas debido a los reflejos.
  5. Si la muestra está en una cubeta, use un soporte para cubeta. Si se trata de una oblea o un portaobjetos, use un soporte de abrazadera para obleas.
  6. Configure el experimento aproximadamente como se muestra en la Figura 1 o la Figura 2. Utilice el último espejo para asegurarse de que el rayo láser incida en la muestra y aterrice cerca de la parte delantera de la óptica de la colección.
    NOTA: Si el haz golpea cerca de la esquina de la cubeta y termina reflejándose en todo el interior de la cubeta, es posible que se obtengan muchos reflejos internos. Esto puede conducir a un espectro TRPL extraño o "desordenado", especialmente cerca del pico.
  7. Realice una alineación gruesa aflojando la perilla del soporte del espejo y girando lentamente el espejo con la mano.
    PRECAUCIÓN: No ponga ninguna mano en el camino de la viga. Ten cuidado con los reflejos. Lleva gafas de seguridad láser adecuadas.
  8. Realice una alineación fina con los tornillos o perillas de alineación en el soporte del espejo. Realice este ajuste maximizando la señal PL en la pantalla de la computadora.
  9. Bloquee todos los haces reflejados. Asegúrese de que todas las vigas perdidas estén contabilizadas y bloqueadas correctamente.
  10. Nunca doble las fibras ópticas a radios inferiores a ~20 cm. De lo contrario, la fibra puede romperse.
  11. Si es posible, utilice un filtro de paso largo con un corte de al menos 25 nm más largo que la longitud de onda del láser. Los filtros de interferencia tienen una dirección hacia adelante y hacia atrás.
  12. Obtenga un espectro PL claro y optimizado sin artefactos. Ajuste la intensidad según corresponda para el detector SPC. En caso de duda, utilice una intensidad de PL baja.

3. Espectroscopía TRPL

  1. Toma de datos con el módulo SPC (dinámica rápida)
    1. Asegúrese de que se utilice la configuración adecuada del filtro de bloqueo láser y del obturador para el detector de conteo de un solo fotón. Se dañará si recibe demasiada luz. El obturador está cerrado.
    2. Encienda el láser y ajuste la frecuencia como desee. Encienda el generador de retardo de pulso y configúrelo.
    3. Dirija el PL al soporte del filtro/obturador para el detector SPC.
    4. El controlador del detector y el software de control SPC deben estar funcionando, así como refrigeración, si están disponibles. Ajuste la ganancia del detector a un valor más bajo. Alimenta todo el hardware.
    5. Asegúrese de que la frecuencia de sincronización esté registrada correctamente en la interfaz SPCM.
    6. Encienda el PMT (habilitar salidas). El CFD y el TAC ahora deberían leer una frecuencia baja (recuentos oscuros).
    7. Abra lentamente el obturador del detector. Si ves una advertencia de saturación, ciérralo inmediatamente. De lo contrario, ábralo por completo.
      PRECAUCIÓN: Demasiada luz puede dañar permanentemente el detector.
    8. Ahora debería haber recuentos más altos de CFD, TAC y ADC. Aumente la ganancia del detector con cuidado. Ajuste la potencia del láser para evitar la acumulación.
    9. Si los recuentos de ADC son bajos y no se ve el espectro TRPL, ajuste el generador de retardo o la frecuencia de sincronización para acercar el máximo de TRPL al lado izquierdo de la ventana de recopilación (más cerca de t = 0).
    10. Realice ajustes en los parámetros como se describe en el texto principal, hasta que se pueda observar una buena traza de decaimiento de PL en el intervalo registrado.
    11. Cuando termine de grabar, cierre inmediatamente el obturador y apague el detector. Apague el láser. Guardar datos.
  2. Toma de datos con el escalar multicanal (dinámica lenta)
    1. Encienda el láser CW y el control y la alimentación del modulador acústico-óptico.
    2. Abra el obturador láser. Ajuste el generador de forma de onda a 1 Hz, patrón de voltaje y magnitud apropiados (por ejemplo, onda cuadrada de 0-4 V, 50% de trabajo). Compruebe la salida del AOM. Debe haber un haz intermitente con casi la mitad de la intensidad del haz principal. Si no es así, realice una alineación completa del AOM.
    3. Con el iris, asegúrese de que solo el haz brillante y parpadeante esté alineado con la muestra. Aumente la frecuencia al valor deseado (por ejemplo, 200 Hz). Compruebe el PL = utilizando un espectrómetro, como se ha descrito anteriormente.
    4. Encienda el detector. Ejecute el software MSC. Configure el software MSC de acuerdo con el procedimiento. Elige tus pasos de tiempo.
    5. Dirija el PL a la entrada del detector. Asegúrese de utilizar el filtro adecuado.
    6. Encienda el PMT y, a continuación, abra lentamente el obturador como en el paso 3.1.7. Cierre el obturador inmediatamente si aparece una advertencia de saturación. Si es así, debilite la señal PL.
    7. Recopilación de datos. Cierre inmediatamente el obturador y desactive la alimentación del PMT cuando termine. Cierre el obturador láser. Guarde los datos.

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Resultados

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En la Figura 3 se muestra una curva de decaimiento SPC estándar. El aumento inicial se desplazó para que el pico corresponda al tiempo cero (este no es el caso en los datos brutos debido a los retrasos electrónicos y ópticos). La relación señal-fondo es de aproximadamente 100 porque esta muestra tiene una fosforescencia larga pero débil. Se observa claramente una reflexión débil en la escala logarítmica, que se produce unos 50 ns después del pico principal de TRPL. Esto se debe a los reflejo...

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Discusión

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Hay varios parámetros importantes controlados por el usuario en cualquier configuración de SPC que deben ser entendidos por el usuario. Estos parámetros explicarán las limitaciones del método SPC para TRPL, permitirán al usuario solucionar problemas de configuración más fácilmente si algo sale mal y ayudarán a comprender los pasos críticos que se requieren efectivamente para una buena recopilación de datos. Además, diferentes muestras a menudo requerirán diferentes configuraciones del sistema, en otras palabras, no se pu...

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Divulgaciones

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El autor declara no tener intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá proporciona fondos para esta investigación. Gracias a Xiaoyuan Liu por realizar el ajuste en la Figura 3 y a Dundappa Mumbaraddi por proporcionar la muestra de perovskita dopada con tierras raras. Gracias a Julius Heitz por poner a disposición Reference20 .

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
AOMIsomet1260C
LáserAlphalasPicopower
LaserCoherent Enterprise
MCSBecker-HicklPMS-400
PMTBecker-HicklHPM100-50
PMTHamamatsuH-7422
SPCMBecker-HicklEMN130

Referencias

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  1. Lakowicz, J. Principles of Fluorescence Spectrscopy 3rd Ed. , Springer. (2006).
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