높은 해상도 포논 도움을 준 공명 형광 분광학

Phonon-assisted Quasi-resonance Florescence Spectroscopy의 전반적인 목표는 표준 photoluminescent Spectroscopy 설정을 사용하여 원자와 같은 반도체 구조의 광학 스펙트럼의 레이저 선폭 제한 해상도를 달성하는 것입니다. 이 방법은 양자점, 다이아몬드의 질소 공극 중심 및 실리콘 카바이드의 결함과 같은 0차원 시스템과 관련된 반도체 광학 분광법의 연구를 용이하게 합니다. 이 기술의 주요 장점은 편광 정보를 유지하면서 10 마이크로 전자 볼트 미만의 에너지 특징에 대한 고해상도 광학 스펙트럼을 얻을 수 있다는 것입니다.

이 기술의 의미는 고해상도 광학 스펙트럼을 얻을 수 있는 능력으로 인해 광학 분광법의 성능을 확장합니다. 이 방법을 처음 접하는 개인은 신호를 찾는 데 어려움을 겪을 것입니다. 가장 큰 장애물은 단일 분광계와 흡광 필터를 사용하여 표유 레이저 광을 제거하는 것입니다.

실험에 사용할 재료 또는 장치부터 시작합니다. 이 장치에는 칩에 양자점 분자가 장착되어 있습니다. 양자점 분자에 대한 개요가 이 회로도에 나와 있습니다.

갈륨 비소 층 사이에 끼워져 있는 두 개의 인듐 비소 양자점 층이 있습니다. 각 양자점은 광학적으로 처리할 수 있습니다. 양자점 분자는 쇼트키 다이오드의 고유 영역에 있어 전기장을 적용할 수 있습니다.

첫 번째 단계는 냉각을 위해 장치를 저온 유지 장치 콜드 핑거에 장착하는 것입니다. Cold Finger에 칩을 장착하기 전에 칩이 놓일 수 있도록 인듐 호일을 바르십시오. 다음으로, 호일 위의 위치에 칩을 놓습니다.

장치의 양쪽 끝에 있는 나사와 와셔를 사용하여 차가운 손가락에 단단히 조이고 열 접촉이 양호하도록 합니다. 소스 미터에 연결되는 온도 조절기의 접점에 장치 전극선을 연결하여 계속합니다. 이제 XYZ Translation Stage에 저온 유지 장치를 장착하고 광학 프로브에서 샘플에 액세스할 수 있도록 합니다.

이 경우 translation stage는 이미 실험의 광학 경로에 있습니다. 원하는 온도로 냉각하기 전에 저온 유지 장치를 비우십시오. 샘플이 냉각되면 광학 요소로 작업을 시작합니다.

광발광의 경우, 긴 working distance objective와 collimation lens를 사용하여 샘플에서 빛을 포착합니다. 거기에서 거울을 사용하여 빛을 1단 분광계로 향하게 합니다. 질소 냉각 CCD 카메라를 사용하여 스펙트럼을 감지합니다.

이 실험에서는 삼중 분광계의 마지막 단계를 사용합니다. 정렬을 위해 샘플 근처에 백색 광원을 장착하십시오. 계속하기 전에 소스로 샘플을 비춥니다.

별도의 카메라를 사용하여 분광계에서 샘플의 이미지를 캡처합니다. 벤치에서 시준 렌즈와 초점 렌즈를 적절하게 정렬하여 샘플의 이미지를 선명하게 하는 작업을 합니다. 깨끗하고 초점이 맞춰진 이미지가 카메라에 나타날 때만 정렬 작업을 마무리합니다.

광원을 제거한 후 샘플을 여기시키기 위해 레이저를 준비합니다. 접지 상태 전이 위의 에너지로 설정된 Tunable Diode Laser를 사용합니다. 산란광 감지를 줄이기 위해 비스듬한 각도로 샘플에 레이저를 집중시킵니다.

렌즈를 사용하여 카메라가 캡처한 영역에서 빔 스폿을 가능한 가장 작은 크기로 초점을 맞춥니다. 이 시점의 설정에 대한 개요는 이 회로도에 나와 있습니다. 노이즈 감소를 위해 샘플에 대한 레이저 광의 비스듬한 각도에 주목하십시오.

레이저를 사용하여 더 높은 비공진 에너지를 여기시키고 초점 모드에서 스펙트럼 수집 소프트웨어를 실행하여 신호를 관찰합니다. 샘플 Housing Translation Stage를 사용하여 레이저 스폿을 통해 샘플을 스캔합니다. CCD가 접지 상태 전환의 불분명한 선을 캡처하면 스캔을 중지합니다.

하나의 양자점 분자에 집중하고 레이저 빔의 위치를 미세 조정하여 신호를 최적화합니다. 다음 단계는 랩 컨트롤 소프트웨어를 사용하여 바이어스 맵을 생성하는 것입니다. 이 소프트웨어는 먼저 소스 미터를 사용하여 샘플 전극 전체에 바이어스 전위를 적용합니다.

그런 다음 해당 바이어스 값과 연결된 스펙트럼을 기록합니다. 맵은 일정한 간격으로 바이어스 전위를 증가시키고, 각 바이어스 값에서 에너지 스펙트럼을 기록하고, 데이터를 사용하여 이 표현을 생성함으로써 생성됩니다. 바이어스 맵이 주어지면 흥미로울 전환을 식별합니다.

관심 있는 에너지 전이 및 편향 범위에 주목하십시오. 이 그림에서는 샘플의 온도를 스캔하여 전이를 단계별로 진행합니다. 레이저가 전환과 공진할 때 감지 신호가 나타납니다.

선택한 전이를 사용하여 광학 설정에 대한 에지 필터를 결정합니다. 전이 에너지는 여기 분기에 대한 960나노미터 단역 통과 필터를 정당화합니다. 반도체 합금에 대한 종방향 광 포논 방출 에너지는 검출 분기에 대한 960나노미터 길이의 통과 필터를 정당화합니다.

설정의 필터 유형을 사용하면 이후 단계를 더 쉽게 수행할 수 있습니다. 간섭 차단 필터는 각도를 조정하여 조정할 수 있기 때문에 이상적입니다. 컴퓨터에서 레이저 여기 에너지와 마이너스 1 세로 광 포논 중심 주파수를 설정합니다.

CCD를 시작하여 연속 모드에서 스펙트럼을 수집합니다. 이 시점에서 신호는 산란에 의해 숨겨질 수 있습니다. 신호를 최대화하려면 벤치로 돌아가십시오.

거기에서 적절한 파장 차단을 갖도록 각도를 조정하여 단역 통과 필터를 조정합니다. 최적의 각도를 결정하기 위해 피드백을 위해 신호를 모니터링합니다. 실험실 제어 소프트웨어에서 전이 에너지를 중심으로 한 범위를 스캔하도록 레이저 에너지를 설정하고 스캔할 바이어스 전압 범위를 설정합니다.

이 바이어스 맵은 레이저 에너지를 설정하고, 스펙트럼을 수집하기 위해 범위에 걸쳐 바이어스를 변화시킨 다음, 전체 레이저 에너지 범위에 걸쳐 이를 반복하여 생성되었습니다. 배경에서 데이터를 동시에 수집함으로써 후처리 중에 두 가지를 사용하여 스퓨리어스 신호를 제거하고 향상된 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 회로도에서 볼 수 있듯이 Phonon-assisted Spectroscopy 방법에 대한 실험 설정은 표준 분광법과 거의 동일합니다.

유일한 차이점은 Phonon-assisted method에서 detection 및 excitation beam paths 모두에 edge filter가 있다는 것입니다. 이 기술을 다른 기술과 비교하려면 중성 엑시톤의 해상도를 고려하십시오. 이 데이터는 약 918나노미터의 비상주 여기가 있는 단일 분광계에서 가져온 것입니다.

스펙트럼 해상도는 픽셀당 약 26 마이크로 전자 볼트이며 전자-정공 교환 분할은 해결할 수 없습니다. 트리플 덧셈 모드에서 분광계로 동일한 스펙트럼 영역을 연구할 때 분해능은 약 10마이크로 전자 볼트입니다. 전자-정공 분리가 해결되기 시작했습니다.

동일한 스펙트럼 영역에서 Quasi-resonant Phonon-assisted Spectroscopy 방법을 사용하면 분해능이 레이저로 제한되어 1개의 마이크로 전자 볼트 분해능보다 우수하며 두 피크가 잘 분리됩니다. 빨간색 곡선은 이중 로렌츠 적합치의 결과입니다. 그것은 약 23.3 마이크로 전자 볼트의 등방성 전자 정공 교환 분할을 제안합니다.

일단 숙달되면이 기술을 몇 시간 만에 수행 할 수 있습니다. 이 절차를 시도하는 동안 광발광 신호를 얻은 후 좋은 스펙트럼의 핵심은 광발광에서 레이저를 분리할 수 있다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차에 따라 excitation 및 detection path 모두에 편광 분석기를 추가하는 것과 같은 다른 추가 작업을 수행할 수 있습니다.

개발 후 이 기술은 반도체 물리학 분야의 연구자들이 양자점과 같은 0차원 시스템을 더 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 원자와 같은 고체 시스템의 매우 높은 해상도의 광학 스펙트럼을 얻기 위해 이 Phonon 보조 준 공명 형광 분광법 방법을 사용하는 방법을 매우 잘 이해하게 될 것입니다. 레이저로 작업하는 것은 매우 위험할 수 있으며 이러한 실험을 수행할 때 항상 적절한 안전 장비와 같은 예방 조치를 착용해야 한다는 것을 잊지 마십시오.