Alta Risoluzione Phonon-assisted Quasi-risonanza spettroscopia di fluorescenza

L'obiettivo generale della spettroscopia di fluorescenza quasi-risonante assistita da fononi è ottenere una risoluzione limitata dalla larghezza della riga laser degli spettri ottici di strutture semiconduttrici di tipo atomico, utilizzando un comune apparato di spettroscopia fotoluminescente. Questo metodo facilita lo studio nella spettroscopia ottica dei semiconduttori relativo a sistemi a dimensione zero, come punti quantici, centri azoto-vacanza nel diamante e difetti nel carburo di silicio. Il principale vantaggio di questa tecnica consiste nella capacità di ottenere spettri ottici ad alta risoluzione di caratteristiche energetiche inferiori a 10 micro-elettronvolt, mantenendo al contempo l'informazione sulla polarizzazione.

Le implicazioni di questa tecnica ampliano la potenza della spettroscopia ottica grazie alla sua capacità di ottenere spettri ottici ad alta risoluzione. I principianti nel metodo avranno difficoltà a individuare il segnale. L'ostacolo maggiore consiste nell'utilizzare un singolo spettrometro e un filtro di estinzione per eliminare la luce laser parassita.

Iniziare 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.

Sono presenti due strati di punti quantici di arseniuro di indio incorporati tra gli strati di arseniuro di gallio. Ciascun 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 consiste nel montare il dispositivo sul dito freddo del criostato per il raffreddamento. Prima di montare il chip sul dito freddo, applicare una pellicola di indio sulla quale posizionare il chip. Successivamente, posizionare il chip sulla pellicola.

Utilizzare viti e rondelle a ciascuna estremità del dispositivo per fissarlo saldamente al dito freddo e garantire un buon contatto termico. Proseguire collegando i fili elettrodi del dispositivo ai contatti nel criostato che si connettono a un misuratore di sorgente. Ora montare il criostato su una piattaforma di traslazione XYZ e rendere il campione accessibile alle sonde ottiche.

In questo caso, la fase di traduzione si trova 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, utilizzare un obiettivo con lunga distanza di lavoro e una lente di collimazione posizionati per raccogliere la luce dal campione. Successivamente, utilizzare specchi per indirizzare la luce su uno spettrometro a singolo stadio. Impiegare una camera CCD raffreddata a azoto per rilevare gli spettri.

In questo esperimento, utilizziamo l'ultima fase di uno spettrometro triplo. A scopo di allineamento, montare una sorgente di luce bianca vicino al campione. Illuminare il campione con la sorgente prima di procedere.

Utilizzare una telecamera separata per acquisire l'immagine del campione nello spettrometro. Sul banco di lavoro, regolare correttamente le lenti collimanti e focalizzanti per rendere più nitida l'immagine del campione. Concludere le operazioni di allineamento solo quando nell'immagine della telecamera appare un'immagine pulita e ben messa a fuoco.

Dopo aver rimosso la sorgente luminosa, preparare un laser per eccitare il campione. Utilizzare un laser a diodo accordabile impostato su un'energia superiore alle transizioni dello stato fondamentale. Indirizzare il laser sul campione con un angolo obliquo per ridurre la luce diffusa rilevata.

Utilizzare una lente per focalizzare il fascio nel punto più piccolo possibile sulla regione catturata dalla telecamera. Una panoramica dell'allestimento a questo punto è mostrata in questo schema. Si noti l'angolo obliquo della luce laser sul campione, finalizzato alla riduzione del rumore.

Utilizzare il laser per eccitare un livello energetico superiore e non risonante ed eseguire il software di acquisizione dello spettro in modalità messa a fuoco per osservare il segnale. Utilizzare lo stage di traslazione del supporto del campione per scansionare il campione attraverso il punto focale del laser. Quando il CCD cattura le righe distinte delle transizioni dello stato fondamentale, arrestare la scansione.

Concentrarsi su una singola molecola di punto quantico e ottimizzare il segnale regolando con precisione la posizione del fascio laser. Il passo successivo consiste nel generare una mappa del Bias utilizzando il software di controllo lap. Il software applica innanzitutto un potenziale di Bias tra gli elettrodi del campione mediante un source meter.

Registra quindi lo spettro associato a quel valore di Bias. La mappa viene generata aumentando il potenziale di Bias a intervalli regolari, registrando lo spettro energetico per ogni valore di Bias e utilizzando i dati per produrre questa rappresentazione. Data una mappa di Bias, identificare la transizione che verrà eccitata.

Osservare l'energia di transizione e l'intervallo di polarizzazione di interesse. In questo grafico, la transizione viene esplorata variando 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 spettrali per l'allestimento ottico. L'energia di transizione giustifica un filtro passa-basso a 960 nanometri per il ramo di eccitazione. Un'energia di emissione di fonone ottico longitudinale per la lega semiconduttrice giustifica un filtro passa-alto a 960 nanometri per il ramo di rilevamento.

Il tipo di filtro nell'allestimento può semplificare i passaggi successivi. I filtri interferenziali a taglio sono ideali perché possono essere regolati modificando l'angolo. Sul computer, impostare l'energia di eccitazione del laser e la frequenza centrale del fonone ottico longitudinale meno uno.

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

Lì, regolare il filtro passa-basso modificandone l'angolo in modo da ottenere il taglio alla lunghezza d'onda corretta. Monitorare il segnale per ottenere un riscontro e determinare l'angolo migliore. Nel software di controllo del laboratorio, impostare l'energia del laser in modo da eseguire una scansione in un intervallo centrato sull'energia di transizione e impostare l'intervallo delle tensioni di polarizzazione da scansionare.

Questa mappa di polarizzazione è stata creata impostando l'energia del laser e variando la polarizzazione lungo il suo intervallo per acquisire uno spettro, ripetendo quindi questa procedura lungo l'intero intervallo di energie laser. Raccogliendo contemporaneamente i dati sullo sfondo, i due insiemi di dati possono essere utilizzati durante l'elaborazione successiva per rimuovere segnali spurii e creare un'immagine migliorata. Come mostrato in questi schemi, l'allestimento sperimentale per il metodo di spettroscopia assistita da fononi è quasi identico a quello della spettroscopia standard.

L'unica differenza è la presenza di filtri periferici in entrambi i percorsi del fascio, per la rilevazione e per l'eccitazione, nel metodo assistito da fononi. 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 intorno a 918 nanometri.

La risoluzione spettrale è di circa 26 micro-elettronvolt per pixel e la separazione per scambio elettrone-lacuna non può essere risolta. Quando la stessa regione spettrale viene analizzata con uno spettrometro in modalità tripla additiva, la risoluzione è di circa 10 micro-elettronvolt. La separazione tra elettrone e lacuna inizia a essere risolta.

Utilizzando il metodo di spettroscopia assistita da fononi quasi-risonanti nella stessa regione spettrale, la risoluzione è limitata dal laser, fornendo una risoluzione migliore di un micro-elettronvolt, e le due picchi sono ben risolti. La curva rossa è il risultato di un adattamento con doppia funzione di Lorentz. Suggerisce una separazione isotropa per lo scambio elettrone-lacuna di circa 23,3 micro-elettronvolt.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in un paio d'ore. Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare che, dopo aver ottenuto il segnale di fotoluminescenza, la chiave per ottenere uno spettro di qualità consiste nella capacità di separare il laser dalla fotoluminescenza. Dopo aver seguito questa procedura, è possibile apportare altre modifiche all'allestimento, 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 una comprensione molto chiara di come utilizzare il metodo di Spettroscopia di Fluorescenza Quasi-risonante Assistita da Fononi per ottenere spettri ottici ad altissima risoluzione di sistemi allo stato solido di tipo atomico. Non dimenticare che lavorare con i laser può essere estremamente pericoloso e che è necessario indossare sempre dispositivi di protezione adeguati durante la conduzione di questi esperimenti.