De alta resonancia cuasi-asistida Phonon Resolución espectroscopia de fluorescencia

El objetivo general de la espectroscopia de fluorescencia de cuasi-resonancia asistida por fonones es lograr una resolución limitada de ancho de línea láser de espectros ópticos de estructuras semiconductoras similares a átomos con una configuración de espectroscopia fotoluminiscente estándar. Este método facilita el estudio en espectroscopía óptica de semiconductores relacionada con sistemas de dimensión cero, como puntos cuánticos, centros de vacantes de nitrógeno en diamante y defectos en carburo de silicio. La principal ventaja de esta técnica es que tiene la capacidad de obtener espectros ópticos de alta resolución de características de energía de menos de 10 microelectronvoltios, al tiempo que retiene la información de polarización.

Las implicaciones de esta técnica amplían la potencia de la espectroscopia óptica debido a su capacidad para obtener espectros ópticos de alta resolución. Las personas nuevas en el método tendrán dificultades para encontrar la señal. El mayor obstáculo es el uso de un solo espectrómetro y filtro de extinción para eliminar la luz láser parásita.

Comience con el material o dispositivo que se utilizará en el experimento. Este dispositivo tiene moléculas de puntos cuánticos montadas en un chip. En este esquema se proporciona una visión general de las moléculas de puntos cuánticos.

Hay dos capas de puntos cuánticos de arseniuro de indio que están incrustadas entre las capas de arseniuro de galio. Cada punto cuántico puede ser direccionado ópticamente. Las moléculas de puntos cuánticos se encuentran en la región intrínseca de un diodo Schottky, lo que permite la aplicación de un campo eléctrico.

El primer paso es montar el dispositivo en el dedo frío del criostato para que se enfríe. Antes de montar el chip en el dedo frío, aplique papel de aluminio para que el chip descanse. A continuación, coloque la viruta en su posición encima del papel de aluminio.

Utilice tornillos y arandelas en cada extremo del dispositivo para apretarlo firmemente al dedo frío y garantizar un buen contacto térmico. Continúe conectando los cables de los electrodos del dispositivo a los contactos del criostato que se conectan a un medidor de fuente. Ahora monte el criostato en una etapa de traducción XYZ y haga que la muestra sea accesible para las sondas ópticas.

En este caso, la etapa de traslación ya está en la trayectoria óptica del experimento. Evacúe el criostato antes de enfriarlo a la temperatura deseada. Una vez que la muestra se haya enfriado, comience a trabajar con los elementos ópticos.

Para la fotoluminiscencia, tenga un objetivo de larga distancia de trabajo y una lente de colimación para capturar la luz de la muestra. A partir de ahí, use espejos para dirigir la luz a un espectrómetro de una sola etapa. Emplee una cámara CCD refrigerada por nitrógeno para detectar los espectros.

En este experimento, utilizamos la última etapa de un espectrómetro triple. Para fines de alineación, monte una fuente de luz blanca cerca de la muestra. Ilumine la muestra con la fuente antes de continuar.

Utilice una cámara separada para capturar la imagen de la muestra en el espectrómetro. En el banco, trabaje para alinear correctamente las lentes de colimación y enfoque para enfocar la imagen de la muestra. Concluya los esfuerzos de alineación solo cuando aparezca una imagen limpia y enfocada en la cámara.

Después de quitar la fuente de luz, prepare un láser para excitar la muestra. Utilice un láser de diodo sintonizable configurado para una energía sobre las transiciones de estado del suelo. Dirija el láser sobre la muestra en un ángulo oblicuo para reducir la detección de luz dispersa.

Utilice una lente para enfocar el punto del haz al tamaño más pequeño posible en la región capturada por la cámara. En este esquema se ofrece una descripción general de la configuración en este punto. Observe el ángulo oblicuo de la luz láser sobre la muestra para reducir el ruido.

Utilice el láser para excitar una energía no resonante más alta y ejecute el software de adquisición de espectro en modo de enfoque para observar la señal. Utilice la etapa de traslación de la carcasa de muestra para escanear la muestra a través del punto láser. Cuando el CCD capture las líneas discretas de las transiciones de estado fundamental, detenga el escaneo.

Concéntrese en una molécula de punto cuántico y optimice la señal ajustando la posición del rayo láser. El siguiente paso es generar un mapa de sesgo utilizando un software de control de vueltas. El software primero aplica un potencial de polarización a través de los electrodos de muestra con un medidor de fuente.

A continuación, registra el espectro asociado a ese valor de sesgo. El mapa se genera incrementando el potencial de polarización a intervalos regulares, registrando el espectro de energía en cada valor de polarización y utilizando los datos para producir esta representación. Dado un mapa de sesgo, identifique la transición que se emocionará.

Obsérvese la energía de transición y el rango de interés del sesgo. En esta figura, la transición se realiza escalonando mediante el escaneo de la temperatura de la muestra. Una señal de detección estará presente cuando el láser esté en resonancia con la transición.

Utilice la transición elegida para determinar los filtros de borde para la configuración óptica. La energía de transición justifica un filtro de paso corto de 960 nanómetros para la rama de excitación. Una energía de emisión de fonones ópticos longitudinales para la aleación semiconductora justifica un filtro de paso largo de 960 nanómetros para la rama de detección.

El tipo de filtro en la configuración puede facilitar los pasos posteriores. Los filtros de corte de interferencia son ideales porque se pueden ajustar ajustando el ángulo. En la computadora, configure la energía de excitación del láser y la frecuencia central del fonón óptico longitudinal menos uno.

Inicie el CCD, recopilando espectros en modo continuo. La señal puede estar oculta por dispersión en este punto. Para maximizar la señal, regrese al banco.

Allí, ajuste el filtro de paso corto ajustando su ángulo para tener el corte de longitud de onda adecuado. Monitoree la señal para obtener retroalimentación y determinar el mejor ángulo. En el software de control del laboratorio, configure la energía del láser para escanear un rango centrado en la energía de transición y configure el rango de voltajes de polarización para escanear.

Este mapa de sesgo se creó configurando la energía del láser, variando el sesgo a lo largo de su rango para recopilar un espectro, y luego repitiéndolo en todo el rango de energías del láser. Al recopilar datos en segundo plano al mismo tiempo, los dos se pueden utilizar durante el posprocesamiento para eliminar señales falsas y crear una imagen mejorada. Como se ve en estos esquemas, la configuración experimental para el método de espectroscopia asistida por fonón es casi la misma que para la espectroscopia estándar.

La única diferencia es la presencia de filtros de borde en las trayectorias del haz de detección y excitación en el método asistido por fonones. Para comparar esta técnica con otras, considere la resolución de un excitón neutro. Estos datos provienen de un solo espectrómetro con excitación no residente de alrededor de 918 nanómetros.

La resolución espectral es de aproximadamente 26 microelectronvoltios por píxel, y la división del intercambio electrón-hueco no se puede resolver. Cuando se estudia la misma región espectral con un espectrómetro en modo de triple aditivo, la resolución es de aproximadamente 10 microelectronvoltios. La división del hueco de electrones está comenzando a resolverse.

Utilizando el método de espectroscopía asistida por fonón cuasi-resonante en la misma región espectral, la resolución está limitada por láser, lo que proporciona una resolución mejor que un micro-electrón-voltio, y los dos picos están bien resueltos. La curva roja es el resultado de un doble ajuste lorentziano. Sugiere una división isotrópica de intercambio electrón-hueco de aproximadamente 23,3 microelectronvoltios.

Una vez dominada, esta técnica se puede hacer en cuestión de un par de horas. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que después de obtener la señal de fotoluminiscencia, la clave para un buen espectro es poder separar el láser de la fotoluminiscencia. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otras adiciones a la configuración, como agregar analizadores de polarización tanto a la ruta de excitación como a la de detección.

Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la física de semiconductores exploraran más a fondo los sistemas de dimensión cero, como los puntos cuánticos. Después de ver este video, debería tener una muy buena comprensión de cómo usar este método de espectroscopia de fluorescencia de cuasi-resonancia asistida por fonones para obtener espectros ópticos de muy alta resolución de sistemas de estado sólido similares a átomos. No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso, y se deben tomar precauciones como el equipo de seguridad adecuado en todo momento al realizar estos experimentos.