Tijdopgeloste fotoluminescentiespectroscopie van halfgeleider nanokristallen en andere fluoroforen

Samenvatting

Dit artikel presenteert een experimentele how-to over tijdopgeloste fotoluminescentie. De hardware die wordt gebruikt in veel opstellingen voor het tellen van fotonen zal worden beschreven en er zal een basishandleiding worden gepresenteerd. Dit is bedoeld om studenten en onderzoekers te helpen de belangrijkste systeemparameters te begrijpen en hoe ze deze correct kunnen instellen in tijdopgeloste fotoluminescentie-opstellingen.

Samenvatting

Tijdopgeloste fotoluminescentie (TRPL) is een sleuteltechniek voor het begrijpen van de fotofysica van halfgeleider nanokristallen en lichtgevende materialen in het algemeen. Dit werk is een inleiding voor het opzetten en uitvoeren van TRPL op nanokristallen en verwante materialen met behulp van systemen voor het tellen van enkelvoudige fotonen (SPC). Basisbronnen van fouten in de meting kunnen worden vermeden door rekening te houden met de experimentele opstelling en kalibratie. De eigenschappen van de detector, de telsnelheid, de spectrale respons, reflecties in optische opstellingen en de specifieke instrumentatie-instellingen voor het tellen van afzonderlijke fotonen zullen worden besproken. Aandacht voor deze details helpt de reproduceerbaarheid te garanderen en is noodzakelijk om de best mogelijke gegevens uit een SPC-systeem te verkrijgen. Het belangrijkste doel van het protocol is om een student van TRPL te helpen de experimentele opstelling en de belangrijkste hardwareparameters te begrijpen die men in het algemeen moet begrijpen om bruikbare TRPL-gegevens te verkrijgen in veel gebruikelijke opstellingen met het tellen van enkele fotonen. Het secundaire doel is om te dienen als een gecondenseerde inleiding voor de student experimentele tijdopgeloste luminescentiespectroscopie.

Inleiding

Tijdopgeloste fotoluminescentie (TRPL) is een belangrijke en standaardmethode voor het bestuderen van de fotofysica van luminescente materialen. TRPL-meetsystemen kunnen open opstellingen zijn die door de onderzoeker zijn gebouwd of het kunnen op zichzelf staande eenheden zijn die rechtstreeks bij een fabrikant zijn gekocht. Open opstellingen worden als superieur beschouwd aan "closed-box" TRPL-eenheden omdat ze meer experimentele controle en aanvullende manieren om nuttige gegevens te verzamelen mogelijk maken; Ze vereisen echter een vollediger begrip van de meting. TRPL wordt veel gebruikt bij de ontwikkeling van luminescente apparaten en moet altijd worden gerapporteerd samen met het basisemissiespectrum van halfgeleider nanokristallen en andere lichtgevende materialen. Er zijn veel methoden om TRPL te doen; Deze inleiding richt zich op systemen voor het tellen van enkelvoudige fotonen.

Alvorens te beginnen is het belangrijk om een aantal eerdere werken te erkennen. Ten eerste is de Principles of Fluorescence Spectroscopy van Joseph Lakowicz¹ een groot compendium met een hoofdstuk over TRPL-methoden. Ashutosh Sharma's Introduction to Fluorescence Spectroscopy bevat een nu enigszins gedateerd hoofdstuk over tijd- en fase-opgeloste fluorimeters² die voornamelijk worden gebruikt door chemici en biologen. Fluorescentiespectroscopie: nieuwe methoden en toepassingen³ blijft waardevol, hoewel het meer dan 20 jaar oud is. De meest recente informatie en vorderingen zijn te vinden in handboeken en technische nota's 4,5,6,7,8. Er zijn ook enkele uitstekende hoofdstukken, recensies en e-books gewijd aan een algemene inleiding tot TRPL-methoden 9,10,11,12,13,14,15.

Methoden voor het tellen van enkelvoudige fotonen (SPC) zijn gebruikelijk en worden veel gebruikt, maar er zijn verschillende concepten die studenten fluorescentiespectroscopie moeten leren om goede gegevens te verzamelen. De principes in dit document zijn algemeen en van toepassing op een breed scala aan SPC-experimenten. Natuurlijk, als de gegevens eenmaal zijn verzameld, zijn de passende algoritmen en methoden een andere essentiële kunst. De aanpassing van het TRPL-model is van cruciaal belang en wordt vaak verkeerd gedaan, ondanks het feit dat veel eerdere werken zich specifiek op dit specifieke probleem hebben gericht 16,17,18,19. Het huidige werk richt zich echter vooral op experimentele aspecten van TRPL.

De grondgedachte voor dit werk is het ontwikkelen van een uitgebreide gids voor het uitvoeren van TRPL met gemeenschappelijke modules voor het tellen van enkelvoudige fotonen (SPC). Omdat deze systemen technisch ingewikkeld zijn, is een goed begrip van de experimentele basisvariabelen belangrijk voor het optimaliseren van de gegevensverzameling en het minimaliseren van het verschijnen van vermijdbare artefacten. Hoewel technieken zoals optische Kerr-poorten en apparatuur zoals streak-camera's speciale mogelijkheden bieden voor ultrasnelle TRPL¹⁵, hebben recente technische ontwikkelingen op het gebied van SPC nanoseconde en sub-nanoseconde TRPL gemakkelijk toegankelijk gemaakt voor bijna elk experimenteel optisch laboratorium. SPC biedt bovendien snelheids- en resolutieverbeteringen ten opzichte van oudere methoden, zoals fotodiode-oscilloscoopcombinaties.

Protocol

1. Voorbereiding

1. Volg alle apparatuur en laserveiligheidsprocedures voor het laboratorium. Voer altijd uitlijningen uit met een zo klein mogelijk laservermogen. Draag een geschikte laserveiligheidsbril.
2. Controleer het PL-spectrum van het monster voordat u de uitgang aansluit op de SPC-opstelling. Zorg ervoor dat het spectrum eruitziet zoals verwacht en dat er geen excitatielaserlicht aanwezig is. De PL moet mogelijk worden verlaagd door de excitatiebron te verzwakken of filters met neutrale dichtheid te gebruiken.
   OPMERKING: Waarschuwing: te veel licht kan de SPC-detector permanent beschadigen.
3. Zorg ervoor dat u de hoeveelheid gereflecteerd of verstrooid laserlicht dat de collectie-optiek binnenkomt minimaliseert, omdat dit een belangrijke bron van artefacten is.

2. Installatie en vooruitlijning

OPMERKING: De meeste van deze stappen zijn alleen nodig als u een nieuwe opstelling bouwt.

LET OP: Draag bij het uitlijnen de juiste laserveiligheidsbril. Verwijder reflecterende persoonlijke voorwerpen zoals sieraden of een polshorloge. Schade aan apparatuur kan optreden als de detector wordt blootgesteld aan te veel licht of als u onjuiste ingangsvoltages voor uw specifieke apparatuur.

1. Gebruik een notitieboekje en maak eerst een schets. Gebruik altijd minimaal twee spiegels. De spiegels helpen bij het uitlijnen van de laserstraal. Voor SPC moet de opstelling er ongeveer zo uitzien als in figuur 1; voor langzaam verval met behulp van een akoestisch-optische modulator (zie Discussie), ziet het er ongeveer zo uit als in figuur 2.
2. Neem een monster dat een platte wafel of dia is, of een oplossing in een cuvet. Gebruik een glijbaan of cuvet gemaakt van transparant gesmolten silica of kwarts. Microscoopglaasjes of glazen flesjes mogen niet worden gebruikt omdat ze een zwakke witachtige PL-achtergrond hebben en UV-absorberend zijn.
3. Probeer de straallijnen in de richting van de optische tafel te laten lopen. Zorg ervoor dat de aanhaalknoppen voor de paalhouders goed bereikbaar zijn. Probeer de straal zoveel mogelijk horizontaal te houden.
4. Als u optische vezels gebruikt, kies dan de vezels op de juiste manier. Er zijn verschillende vezeldiameters en verschillende golflengtebereiken (UV- versus NIR-geoptimaliseerde vezels). Gebruik voor zwakke signalen een vezel met een grote diameter. Vermijd het "mixen en matchen" van verschillende soorten vezels. TRPL kan lange vezels nodig hebben vanwege reflecties.
5. Als het monster in een cuvet zit, gebruik dan een cuvettenhouder. Als het een wafel of dia is, gebruik dan een wafelklemhouder.
6. Stel het experiment ongeveer in zoals weergegeven in Afbeelding 1 of Afbeelding 2. Gebruik de laatste spiegel om ervoor te zorgen dat de laserstraal het monster raakt en dicht bij de voorkant van de collectie-optiek terechtkomt.
   OPMERKING: Als de straal in de buurt van de hoek van de cuvet valt en uiteindelijk overal in de cuvet reflecteert, kan men veel interne reflecties krijgen. Dit kan leiden tot een vreemd of "rommelig" TRPL-spectrum, vooral in de buurt van de piek.
7. Voer een grove uitlijning uit door de knop op de spiegelhouder los te draaien en de spiegel langzaam met de hand te draaien.
   LET OP: Zorg ervoor dat er geen handen in de weg zitten van de straal. Pas op voor reflecties. Weat de juiste laser veiligheidsbril.
8. Voer de fijne uitlijning uit met behulp van de uitlijnschroeven of knoppen op de spiegelhouder. Maak deze aanpassing door het PL-signaal op het computerscherm te maximaliseren.
9. Blokkeer alle gereflecteerde stralen. Zorg ervoor dat alle verdwaalde balken worden verantwoord en goed worden geblokkeerd.
10. Buig de optische vezels nooit tot stralen kleiner dan ~20 cm. Anders kan de vezel breken.
11. Gebruik indien mogelijk een longpass-filter met een cutoff die ten minste 25 nm langer is dan de lasergolflengte. Interferentiefilters hebben een voorwaartse en achterwaartse richting.
12. Verkrijg een helder, geoptimaliseerd PL-spectrum zonder artefacten. Pas de intensiteit aan zoals nodig voor de SPC-detector. Gebruik bij twijfel een lage PL-intensiteit.

3. TRPL-spectroscopie

1. Gegevens verzamelen met de SPC-module (snelle dynamiek)
   1. Zorg ervoor dat de juiste laserblokkerende filter en sluiteropstelling worden gebruikt voor de detector voor het tellen van enkele fotonen. Het zal beschadigd raken als het te veel licht krijgt. Het rolluik is gesloten.
   2. Zet de laser aan en pas de frequentie naar wens aan. Schakel de pulsvertragingsgenerator in en stel deze in.
   3. Leid de PL naar de filter-/rolluikhouder voor de SPC-detector.
   4. De detectorcontroller en SPC-besturingssoftware moeten zowel draaien als koelen, indien beschikbaar. Stel de detectorversterking in op een lagere waarde. Voed alle hardware.
   5. Zorg ervoor dat de synchronisatiefrequentie correct is geregistreerd in de SPCM-interface.
   6. Voed de PMT (uitgangen inschakelen). De CFD en TAC zouden nu een lage frequentie moeten aangeven (dark counts).
   7. Open langzaam de sluiter naar de detector. Als u een verzadigingswaarschuwing ziet, sluit u deze onmiddellijk. Open het anders volledig.
      LET OP: Te veel licht kan de detector permanent beschadigen.
   8. Er zouden nu hogere CFD-, TAC- en ADC-tellingen moeten zijn. Verhoog de detectorversterking voorzichtig. Pas het laservermogen aan om opstapeling te voorkomen.
   9. Als het aantal ADC's laag is en er geen TRPL-spectrum wordt gezien, past u de vertragingsgenerator of de synchronisatiefrequentie aan om het TRPL-maximum aan de linkerkant van het verzamelvenster te brengen (dichter bij t = 0).
   10. Voer aanpassingen uit aan de parameters zoals beschreven in de hoofdtekst, totdat een goed PL-vervalspoor in het geregistreerde interval kan worden waargenomen.
   11. Als u klaar bent met opnemen, sluit u onmiddellijk de sluiter en schakelt u de stroom naar de detector uit. Schakel de laser uit. Sla gegevens op.
2. Gegevens opnemen met de multichannel scalair (langzame dynamiek)
   1. Schakel de CW-laser en de akoestisch-optische modulatorregeling en stroom in.
   2. Open de lasersluiter. Stel de golfvormgenerator in op 1 Hz, het juiste voltage patroon en grootte (bijv. 0-4 V blokgolf, 50% inschakelduur). Controleer de output van de AOM. Er moet een knipperende lichtbundel zijn met bijna de helft van de intensiteit van de hoofdlichtbundel. Als dit niet het geval is, voert u een volledige uitlijning van de aam uit.
   3. Zorg er met behulp van de iris voor dat alleen de heldere, knipperende straal op het monster is uitgelijnd. Verhoog de frequentie tot de gewenste waarde (bijv. 200 Hz). Controleer de PL = met behulp van een spectrometer, zoals eerder beschreven.
   4. Schakel de detector in. Voer de MSC-software uit. Stel de MSC-software in volgens de procedure. Kies uw tijdstappen.
   5. Leid de PL naar de ingang van de detector. Zorg ervoor dat het juiste filter wordt gebruikt.
   6. Schakel de PMT in en open vervolgens langzaam de sluiter zoals in stap 3.1.7. Sluit de sluiter onmiddellijk als er een verzadigingswaarschuwing verschijnt. Als dit het geval is, verzwakt u het PL-signaal.
   7. Verzamel gegevens. Sluit onmiddellijk de sluiter en schakel de stroom naar de PMT uit als u klaar bent. Sluit de lasersluiter. Sla de gegevens op.

Resultaten

Een standaard SPC-vervalcurve wordt weergegeven in figuur 3. De aanvankelijke stijging werd verschoven zodat de piek overeenkomt met de nultijd (dit is niet het geval in de ruwe gegevens vanwege de elektronische en optische vertragingen). De signaal-achtergrondverhouding is ongeveer 100 omdat dit monster een langlevende maar zwakke fosforescentie heeft. Een zwakke reflectie is duidelijk waarneembaar op de logschaal, die ongeveer 50 ns na de belangrijkste TRP...

Discussie

Er zijn verschillende belangrijke door de gebruiker gecontroleerde parameters in elke SPC-opstelling die door de gebruiker moeten worden begrepen. Deze parameters verklaren de beperkingen van de SPC-methode voor TRPL, stellen de gebruiker in staat om gemakkelijker problemen met de installatie op te lossen als er iets misgaat, en helpen de kritieke stappen te begrijpen die effectief nodig zijn voor een goede gegevensverzameling. Bovendien vereisen verschillende monsters vaak verschillende...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
AOM	Isomet	1260C
Laser	Alphalas	Picopower
Laser	Coherent	Enterprise
MCS	Becker-Hickl	PMS-400
PMT	Becker-Hickl	HPM100-50
PMT	Hamamatsu	H-7422
SPCM	Becker-Hickl	EMN130