Quasi-résonance à haute résolution Phonon assistée Fluorescence Spectroscopy

L’objectif global de la spectroscopie de fluorescence par quasi-résonance assistée par phonon est d’obtenir une résolution limitée de largeur de raie laser des spectres optiques de structures semi-conductrices de type atome avec une configuration de spectroscopie photoluminescente standard. Cette méthode facilite l’étude de la spectroscopie optique des semi-conducteurs liée aux systèmes de dimension zéro, tels que les points quantiques, les centres de vide d’azote dans le diamant et les défauts dans le carbure de silicium. Le principal avantage de cette technique est qu’elle a la capacité d’obtenir des spectres optiques à haute résolution de caractéristiques d’énergie inférieures à 10 micro-électronvolts, tout en conservant les informations de polarisation.

Les implications de cette technique étendent la puissance de la spectroscopie optique en raison de sa capacité à obtenir des spectres optiques à haute résolution. Les personnes qui ne connaissent pas la méthode auront du mal à trouver le signal. Le plus grand obstacle est d’utiliser un seul spectromètre et un seul filtre d’extinction pour éliminer la lumière laser parasite.

Commencez par le matériel ou l’appareil qui sera utilisé dans l’expérience. Cet appareil a des molécules de points quantiques montées sur une puce. Un aperçu des molécules de points quantiques est fourni dans ce schéma.

Il y a deux couches de points quantiques d’arséniure d’indium qui sont intégrées entre les couches d’arséniure de gallium. Chaque point quantique peut être adressé optiquement. Les molécules de points quantiques se trouvent dans la région intrinsèque d’une diode Schottky, ce qui permet l’application d’un champ électrique.

La première étape consiste à monter l’appareil sur le doigt froid du cryostat pour le refroidissement. Avant de monter la puce sur le doigt froid, appliquez une feuille d’indium pour que la puce repose. Ensuite, placez la puce en position sur le dessus de la feuille.

Utilisez des vis et des rondelles à chaque extrémité de l’appareil pour le serrer fermement au doigt froid et assurer un bon contact thermique. Continuez en fixant les fils d’électrode de l’appareil aux contacts du cryostat qui se connectent à un compteur source. Montez maintenant le cryostat sur une platine de translation XYZ et rendez l’échantillon accessible aux sondes optiques.

Dans ce cas, l’étape de translation se trouve déjà dans le chemin optique de l’expérience. Évacuez le cryostat avant de le refroidir à la température souhaitée. Une fois l’échantillon refroidi, commencez à travailler avec les éléments optiques.

Pour la photoluminescence, mettez en place un objectif à longue distance de travail et une lentille de collimation pour capturer la lumière de l’échantillon. À partir de là, utilisez des miroirs pour diriger la lumière sur un spectromètre à un étage. Utilisez une caméra CCD refroidie à l’azote pour détecter les spectres.

Dans cette expérience, nous utilisons la dernière étape d’un spectromètre triple. À des fins d’alignement, installez une source de lumière blanche près de l’échantillon. Illuminez l’échantillon avec la source avant de continuer.

Utilisez une caméra séparée pour capturer l’image de l’échantillon dans le spectromètre. Sur la paillasse, travaillez à aligner correctement les lentilles de collimation et de mise au point pour affiner l’image de l’échantillon. Ne terminez les efforts d’alignement que lorsqu’une image nette et nette apparaît dans l’appareil photo.

Après avoir retiré la source lumineuse, préparez un laser pour exciter l’échantillon. Utilisez un laser à diode accordable réglé sur une énergie supérieure aux transitions d’état fondamental. Dirigez le laser sur l’échantillon à un angle oblique pour réduire la détection de la lumière diffusée.

Utilisez un objectif pour focaliser le faisceau à la plus petite taille possible sur la région capturée par la caméra. Une vue d’ensemble de la configuration à ce stade est donnée dans ce schéma. Notez l’angle oblique de la lumière laser sur l’échantillon pour la réduction du bruit.

Utilisez le laser pour exciter une énergie plus élevée et non résonnante, et exécutez le logiciel d’acquisition de spectre en mode focus pour observer le signal. Utilisez l’étage de translation du boîtier de l’échantillon pour balayer l’échantillon à travers le spot laser. Lorsque le CCD capture les lignes discrètes des transitions d’état fondamental, arrêtez le balayage.

Concentrez-vous sur une molécule de point quantique et optimisez le signal en ajustant avec précision la position du faisceau laser. L’étape suivante consiste à générer une carte de biais à l’aide d’un logiciel de contrôle des tours. Le logiciel applique d’abord un potentiel de polarisation aux électrodes de l’échantillon à l’aide d’un sourcemètre.

Il enregistre ensuite le spectre associé à cette valeur de biais. La carte est générée en incrémentant le potentiel de biais à intervalles réguliers, en enregistrant le spectre d’énergie à chaque valeur de biais et en utilisant les données pour produire cette représentation. À partir d’une carte de biais, identifiez la transition qui sera excitante.

Notez la transition Énergie et la gamme d’intérêt Bias. Dans cette figure, la transition est franchie en balayant la température de l’échantillon. Un signal de détection sera présent lorsque le laser est en résonance avec la transition.

Utilisez la transition choisie pour déterminer les filtres de bord pour la configuration optique. L’énergie de transition justifie un filtre passe-court de 960 nanomètres pour la branche d’excitation. Une énergie d’émission de phonons optiques longitudinale pour l’alliage semi-conducteur justifie un filtre passe-long de 960 nanomètres pour la branche de détection.

Le type de filtre dans la configuration peut faciliter les étapes ultérieures. Les filtres de coupure d’interférence sont idéaux car ils peuvent être réglés en ajustant l’angle. Sur l’ordinateur, réglez l’énergie d’excitation du laser et la fréquence centrale du phonon optique longitudinal moins un.

Démarrez le CCD en collectant les spectres en mode continu. Le signal peut être caché par la diffusion à ce stade. Afin de maximiser le signal, retournez au banc.

Là, réglez le filtre passe-court en ajustant son angle pour avoir la coupure de longueur d’onde appropriée. Surveillez le signal pour obtenir un retour d’information afin de déterminer le meilleur angle. Dans le logiciel de contrôle de laboratoire, réglez l’énergie laser pour balayer une plage centrée sur l’énergie de transition et définissez la plage de tensions de polarisation à balayer.

Cette carte de biais a été créée en réglant l’énergie laser, en faisant varier le biais sur sa portée pour collecter un spectre, puis en répétant cela sur toute la gamme d’énergies laser. En collectant simultanément des données sur l’arrière-plan, les deux peuvent être utilisés pendant le post-traitement pour supprimer les signaux parasites et créer une image améliorée. Comme le montrent ces schémas, la configuration expérimentale de la méthode de spectroscopie assistée par phonon est presque la même que celle de la spectroscopie standard.

La seule différence est la présence de filtres de bord sur les trajets de détection et d’excitation du faisceau dans la méthode assistée par phonon. Pour comparer cette technique avec d’autres, considérons la résolution d’un exciton neutre. Ces données proviennent d’un seul spectromètre avec une excitation non résidente d’environ 918 nanomètres.

La résolution spectrale est d’environ 26 micro-électronvolts par pixel, et la division de l’échange d’électrons-trous ne peut pas être résolue. Lorsque la même région spectrale est étudiée avec un spectromètre en mode triple additif, la résolution est d’environ 10 micro-électronvolts. La division du trou d’électron commence à être résolue.

En utilisant la méthode de spectroscopie assistée par phonon quasi-résonant dans la même région spectrale, la résolution est limitée par le laser, ce qui donne une résolution supérieure à un micro-électronvolt, et les deux pics sont bien résolus. La courbe rouge est le résultat d’un double ajustement lorentzien. Il suggère une division isotrope de l’échange d’électrons-trous d’environ 23,3 micro-électronvolts.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en quelques heures. Lors de cette procédure, il est important de se rappeler qu’après avoir obtenu un signal de photoluminescence, la clé d’un bon spectre est de pouvoir séparer le laser de la photoluminescence. À la suite de cette procédure, d’autres ajouts peuvent être apportés à la configuration, tels que l’ajout d’analyseurs de polarisation à la fois au chemin d’excitation et au chemin de détection.

Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la physique des semi-conducteurs pour explorer davantage les systèmes de dimension zéro, tels que les points quantiques. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une très bonne compréhension de la façon d’utiliser cette méthode de spectroscopie de fluorescence par quasi-résonance assistée par phonon afin d’obtenir des spectres optiques à très haute résolution de systèmes à l’état solide de type atome. N’oubliez pas que travailler avec des lasers peut être extrêmement dangereux et que des précautions telles qu’un équipement de sécurité approprié doivent être portées à tout moment lors de la réalisation de ces expériences.