Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

L'obiettivo generale della spettroscopia di florescenza quasi-risonanza assistita da fononi è quello di ottenere una risoluzione limitata della larghezza di linea del laser degli spettri ottici di strutture semiconduttrici simili ad atomi con una configurazione standard di spettroscopia fotoluminescente. Questo metodo facilita lo studio della spettroscopia ottica a semiconduttore relativa a sistemi a dimensione zero, come i punti quantici, i centri di azoto vacante nel diamante e i difetti nel carburo di silicio. Il vantaggio principale di questa tecnica è che ha la capacità di ottenere spettri ottici ad alta risoluzione di caratteristiche energetiche inferiori a 10 micro-elettronvolt, pur mantenendo le informazioni di polarizzazione.

Le implicazioni di questa tecnica estendono la potenza della spettroscopia ottica grazie alla sua capacità di ottenere spettri ottici ad alta risoluzione. Gli individui che non conoscono il metodo avranno difficoltà a trovare il segnale. L'ostacolo più grande è l'utilizzo di un singolo spettrometro e di un filtro di estinzione per eliminare la luce laser diffusa.

Inizia con il materiale o il dispositivo che verrà utilizzato nell'esperimento. Questo dispositivo ha molecole di punti quantici montate su un chip. Una panoramica delle molecole di punti quantici è fornita in questo schema.

Ci sono due strati di punti quantici di arseniuro di indio che sono incorporati tra gli strati di arseniuro di gallio. Ogni punto quantico può essere indirizzato otticamente. Le molecole di punti quantici si trovano nella regione intrinseca di un diodo Schottky, consentendo l'applicazione di un campo elettrico.

Il primo passo è montare il dispositivo sul dito freddo del criostato per il raffreddamento. Prima di montare il chip sul dito freddo, applicare un foglio di indio su cui appoggiare il chip. Quindi, metti il chip in posizione sopra la pellicola.

Utilizzare viti e rondelle a ciascuna estremità del dispositivo per serrarlo saldamente al dito freddo e garantire un buon contatto termico. Continuare collegando i fili degli elettrodi del dispositivo ai contatti del criostato che si collegano a un misuratore di sorgente. Ora monta il criostato su uno stadio di traslazione XYZ e rendi il campione accessibile alle sonde ottiche.

In questo caso, la fase di traslazione è già nel percorso ottico dell'esperimento. Evacuare il criostato prima di raffreddarlo alla temperatura desiderata. Una volta che il campione si è raffreddato, iniziare a lavorare con gli elementi ottici.

Per la fotoluminescenza, disporre di un obiettivo a lunga distanza di lavoro e di una lente di collimazione per catturare la luce dal campione. Da lì, usa gli specchi per dirigere la luce su uno spettrometro a stadio singolo. Utilizzare una telecamera CCD raffreddata ad azoto per rilevare gli spettri.

In questo esperimento, utilizziamo l'ultimo stadio di uno spettrometro triplo. Ai fini dell'allineamento, montare una sorgente di luce bianca vicino al campione. Illuminare il campione con la sorgente prima di continuare.

Utilizzare una fotocamera separata per acquisire l'immagine del campione nello spettrometro. Sul banco, lavorare per allineare correttamente le lenti di collimazione e messa a fuoco per rendere più nitida l'immagine del campione. Concludi gli sforzi di allineamento solo quando nella fotocamera viene visualizzata un'immagine nitida e a fuoco.

Dopo aver rimosso la sorgente luminosa, preparare un laser per eccitare il campione. Utilizzare un laser a diodi sintonizzabili impostato su un'energia superiore alle transizioni dello stato fondamentale. Dirigere il laser sul campione con un angolo obliquo per ridurre il rilevamento della luce diffusa.

Utilizzare un obiettivo per focalizzare il punto del raggio alla dimensione più piccola possibile sulla regione catturata dalla fotocamera. Una panoramica della configurazione a questo punto è fornita in questo schema. Annotare l'angolo obliquo della luce laser sul campione per ridurre il rumore.

Usa il laser per eccitare un'energia più alta e non risonante ed esegui il software di acquisizione dello spettro in modalità di messa a fuoco per osservare il segnale. Utilizzare il tavolino di traslazione dell'alloggiamento del campione per scansionare il campione attraverso il punto laser. Quando il CCD acquisisce le linee discrete delle transizioni dello stato fondamentale, interrompere la scansione.

Concentrati su una molecola di punti quantici e ottimizza il segnale regolando con precisione la posizione del raggio laser. Il passo successivo consiste nel generare una mappa di polarizzazione utilizzando il software di controllo del giro. Il software applica prima un potenziale di polarizzazione attraverso gli elettrodi del campione con un misuratore di sorgente.

Registra quindi lo spettro associato a quel valore di polarizzazione. La mappa viene generata incrementando il potenziale di polarizzazione a intervalli regolari, registrando lo spettro di energia a ciascun valore di polarizzazione e utilizzando i dati per produrre questa rappresentazione. Data una mappa dei bias, identifica la transizione che sarà entusiasmante.

Si noti l'energia di transizione e l'intervallo di bias di interesse. In questa figura, la transizione viene eseguita scansionando la temperatura del campione. Un segnale di rilevamento sarà presente quando il laser è in risonanza con la transizione.

Utilizzare la transizione scelta per determinare i filtri dei bordi per la configurazione ottica. L'energia di transizione giustifica un filtro a passaggio corto da 960 nanometri per il ramo di eccitazione. Un'energia di emissione longitudinale dei fononi ottici per la lega semiconduttrice giustifica un filtro a 960 nanometri di passaggio lungo per il ramo di rilevamento.

Il tipo di filtro nella configurazione può semplificare i passaggi successivi. I filtri di interferenza sono ideali perché possono essere regolati regolando l'angolo. Al computer, impostare l'energia di eccitazione del laser e la frequenza centrale del fonone ottico longitudinale meno uno.

Avviare il CCD, raccogliendo gli spettri in modalità continua. A questo punto il segnale potrebbe essere nascosto dalla dispersione. Per massimizzare il segnale, tornare al banco.

Lì, sintonizza il filtro passa corto regolando il suo angolo per avere il corretto taglio della lunghezza d'onda. Monitora il segnale per il feedback per determinare l'angolo migliore. Nel software di controllo del laboratorio, impostare l'energia del laser per la scansione di un intervallo centrato sull'energia di transizione e impostare l'intervallo di tensioni di polarizzazione da scansionare.

Questa mappa di polarizzazione è stata creata impostando l'energia del laser, variando la polarizzazione sulla sua portata per raccogliere uno spettro, quindi ripetendola sull'intera gamma di energie laser. Raccogliendo contemporaneamente i dati sullo sfondo, i due possono essere utilizzati durante la post-elaborazione per rimuovere i segnali spuri e creare un'immagine migliorata. Come si vede in questi schemi, la configurazione sperimentale per il metodo della spettroscopia assistita da fononi è quasi la stessa della spettroscopia standard.

L'unica differenza è la presenza di filtri di bordo sia sul percorso del fascio di rilevamento che su quello di eccitazione nel metodo assistito da Phonon. Per confrontare questa tecnica con altre, si consideri la risoluzione di un eccitone neutro. Questi dati provengono da un singolo spettrometro con eccitazione non residente di circa 918 nanometri.

La risoluzione spettrale è di circa 26 micro-elettronvolt per pixel e la scissione dello scambio elettrone-lacuna non può essere risolta. Quando la stessa regione spettrale viene studiata con uno spettrometro in modalità tripla additiva, la risoluzione è di circa 10 micro-elettronvolt. La scissione elettrone-lacuna sta cominciando ad essere risolta.

Utilizzando il metodo della spettroscopia assistita da fononi quasi-risonante nella stessa regione spettrale, la risoluzione è limitata al laser, fornendo una risoluzione migliore di un micro-elettronvolt, e i due picchi sono ben risolti. La curva rossa è il risultato di un adattamento double-lorentziano. Suggerisce una scissione isotropa dello scambio elettrone-lacuna di circa 23,3 micro-elettronvolt.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita nel giro di un paio d'ore. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che dopo aver ottenuto il segnale di fotoluminescenza, la chiave per un buon spettro è essere in grado di separare il laser dalla fotoluminescenza. Seguendo questa procedura, è possibile apportare altre aggiunte alla configurazione, come l'aggiunta di analizzatori di polarizzazione sia al percorso di eccitazione che a quello di rilevamento.

Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della fisica dei semiconduttori per esplorare ulteriormente i sistemi a dimensione zero, come i punti quantici. Dopo aver visto questo video, dovresti avere un'ottima comprensione di come utilizzare questo metodo di spettroscopia di fluorescenza di quasi-risonanza assistita da fononi al fine di ottenere spettri ottici ad altissima risoluzione di sistemi a stato solido simili ad atomi. Non dimenticare che lavorare con i laser può essere estremamente pericoloso e che precauzioni come l'equipaggiamento di sicurezza adeguato dovrebbero essere indossate in ogni momento durante l'esecuzione di questi esperimenti.