Spektroskopia fluorescencyjna quasi-rezonansowa wspomagana fononami o wysokiej rozdzielczości

Ogólnym celem quasi-rezonansowej spektroskopii florescencyjnej wspomaganej fononem jest osiągnięcie ograniczonej szerokości linii laserowej rozdzielczości widm optycznych atomopodobnych struktur półprzewodnikowych przy użyciu standardowego zestawu spektroskopii fotoluminescencyjnej. Metoda ta ułatwia badania w półprzewodnikowej spektroskopii optycznej związanej z układami zerowymiarowymi, takimi jak kropki kwantowe, centra azot-wakancja w diamencie i defekty węglika krzemu. Główną zaletą tej techniki jest to, że ma ona możliwość uzyskania wysokiej rozdzielczości widm optycznych o cechach energetycznych mniejszych niż 10 mikroelektronowoltów, przy jednoczesnym zachowaniu informacji o polaryzacji.

Implikacje tej techniki rozszerzają moc spektroskopii optycznej ze względu na jej zdolność do uzyskiwania widm optycznych o wysokiej rozdzielczości. Osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały trudności ze znalezieniem sygnału. Największą przeszkodą jest użycie pojedynczego spektrometru i filtra ekstynkcji w celu wyeliminowania rozproszonego światła laserowego.

Zacznij od materiału lub urządzenia, które zostanie użyte w eksperymencie. To urządzenie ma cząsteczki kropek kwantowych zamontowane na chipie. Przegląd cząsteczek kropek kwantowych znajduje się na tym schemacie.

Istnieją dwie warstwy kropek kwantowych arsenku indu, które są osadzone między warstwami arsenku galu. Każda kropka kwantowa może być adresowana optycznie. Cząsteczki kropek kwantowych znajdują się w wewnętrznym obszarze diody Schottky'ego, co pozwala na zastosowanie pola elektrycznego.

Pierwszym krokiem jest zamontowanie urządzenia na zimnym palcu kriostatu w celu ostygnięcia. Przed zamontowaniem chipa na zimnym palcu nałóż folię indową, aby wiór mógł na nim spoczywać. Następnie umieść chip na miejscu na wierzchu folii.

Użyj i podkładek na każdym końcu urządzenia, aby mocno dokręcić je do zimnego palca i zapewnić dobry kontakt termiczny. Kontynuuj, podłączając przewody elektrod urządzenia do styków w kriostatzie, które łączą się z miernikiem źródłowym. Teraz zamontuj kriostat na stoliku translacyjnym XYZ i udostępnij próbkę sondom optycznym.

W tym przypadku etap translacji znajduje się już w ścieżce optycznej eksperymentu. Opróżnij kriostat przed schłodzeniem go do żądanej temperatury. Gdy próbka ostygnie, rozpocznij pracę z elementami optycznymi.

W przypadku fotoluminescencji należy umieścić obiektyw o dużej odległości roboczej i soczewkę kolimacyjną, aby wychwycić światło z próbki. Stamtąd użyj luster, aby skierować światło na jednostopniowy spektrometr. Zastosuj kamerę CCD chłodzoną azotem do wykrywania widm.

W tym eksperymencie używamy ostatniego stopnia potrójnego spektrometru. W celu wyrównania zamontuj źródło światła białego w pobliżu próbki. Przed kontynuowaniem oświetlić próbkę ze źródłem.

Zastosuj oddzielną kamerę, aby uchwycić obraz próbki w spektrometrze. Na stole postaraj się prawidłowo ustawić soczewki kolimacyjne i skupiające, aby wyostrzyć obraz próbki. Wysiłki związane z wyrównaniem należy zakończyć dopiero wtedy, gdy w aparacie pojawi się czysty, ostry obraz.

Po usunięciu źródła światła należy przygotować laser do wzbudzenia próbki. Użyj przestrajalnego lasera diodowego ustawionego na energię powyżej przejść stanu podstawowego. Skieruj laser na próbkę pod kątem ukośnym, aby zmniejszyć wykrywanie rozproszonego światła.

Użyj obiektywu, aby ustawić ostrość plamki wiązki do najmniejszego możliwego rozmiaru w obszarze uchwyconym przez kamerę. Przegląd konfiguracji w tym momencie znajduje się na tym schemacie. Zwróć uwagę na kąt ukośny światła laserowego padający na próbkę w celu redukcji szumów.

Użyj lasera, aby wzbudzić wyższą, nierezonansową energię i uruchom oprogramowanie do akwizycji widma w trybie ostrości, aby obserwować sygnał. Użyj przykładowego etapu translacji obudowy, aby zeskanować próbkę przez plamkę lasera. Gdy przetwornik CCD zarejestruje dyskretne linie przejść stanu podstawowego, zatrzymaj skanowanie.

Skoncentruj się na jednej cząsteczce kropki kwantowej i zoptymalizuj sygnał, precyzyjnie dostrajając położenie wiązki laserowej. Następnym krokiem jest wygenerowanie mapy uprzedzeń za pomocą oprogramowania do kontroli okrążeń. Oprogramowanie najpierw stosuje potencjał odchylenia na elektrodach próbki za pomocą miernika źródłowego.

Następnie rejestruje widmo skojarzone z tą wartością odchylenia. Mapa jest generowana przez zwiększanie potencjału odchylenia w regularnych odstępach czasu, rejestrowanie widma energetycznego przy każdej wartości odchylenia i wykorzystanie danych do stworzenia tej reprezentacji. Biorąc pod uwagę mapę uprzedzeń, zidentyfikuj przejście, które będzie ekscytowane.

Zwróć uwagę na zakres zainteresowania Energia przejścia i Odchylenie. Na tym rysunku przejście jest stopniowane poprzez skanowanie temperatury próbki. Sygnał detekcji będzie obecny, gdy laser będzie rezonował z przejściem.

Użyj wybranego przejścia, aby określić filtry krawędziowe dla konfiguracji optycznej. Energia przejścia uzasadnia filtr krótkoprzepustowy o długości 960 nanometrów dla gałęzi wzbudzenia. Podłużna optyczna energia emisji fononów dla stopu półprzewodników uzasadnia zastosowanie filtra przepustowego o długości 960 nanometrów dla gałęzi detekcji.

Typ filtra w konfiguracji może ułatwić późniejsze kroki. Filtry odcinające zakłócenia są idealne, ponieważ można je dostroić, dostosowując kąt. W komputerze ustaw energię wzbudzenia lasera i ujemną jedną podłużną częstotliwość środka fononów optycznych.

Uruchom CCD, zbierając widma w trybie ciągłym. W tym momencie sygnał może być ukryty przez rozproszenie. Aby zmaksymalizować sygnał, wróć na ławkę.

Tam dostosuj filtr krótkoprzepustowy, dostosowując jego kąt, aby uzyskać odpowiednie odcięcie długości fali. Monitoruj sygnał pod kątem informacji zwrotnej, aby określić najlepszy kąt. W oprogramowaniu sterującym laboratorium ustaw energię lasera tak, aby skanowała zakres wyśrodkowany na energii przejścia, a następnie ustaw zakres napięć polaryzacji do przeskanowania.

Ta mapa odchyleń została utworzona poprzez ustawienie energii lasera, zmianę odchylenia w jego zakresie w celu zebrania widma, a następnie powtórzenie tego w całym zakresie energii lasera. Zbierając jednocześnie dane w tle, można je wykorzystać podczas przetwarzania końcowego w celu usunięcia fałszywych sygnałów i stworzenia ulepszonego obrazu. Jak widać na tych schematach, konfiguracja eksperymentalna dla metody spektroskopii wspomaganej fononem jest prawie taka sama, jak dla standardowej spektroskopii.

Jedyną różnicą jest obecność filtrów krawędziowych zarówno na torze wiązki detekcyjnej, jak i wzbudzonej w metodzie wspomaganej fononem. Aby porównać tę technikę z innymi, rozważ rozdzielczość neutralnego ekscytonu. Dane te pochodzą z pojedynczego spektrometru o wzbudzeniu nierezydentnym około 918 nanometrów.

Rozdzielczość spektralna wynosi około 26 mikroelektronowoltów na piksel, a rozszczepienie wymiany elektron-nie może być rozwiązane. Gdy ten sam obszar widmowy jest badany za pomocą spektrometru w trybie potrójnego addytywnego, rozdzielczość wynosi około 10 mikroelektronowoltów. Rozszczepienie elektronu i zaczyna być rozwiązywane.

Stosując metodę quasi-rezonansowej spektroskopii wspomaganej fononem w tym samym obszarze widmowym, rozdzielczość jest ograniczona laserowo, co daje rozdzielczość lepszą niż jeden mikroelektronowolt, a dwa piki są dobrze rozdzielone. Czerwona krzywa jest wynikiem podwójnego dopasowania Lorentza. Sugeruje to izotropowe rozszczepienie wymiany elektron-o wartości około 23,3 mikroelektronowoltów.

Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu kilku godzin. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że po uzyskaniu sygnału fotoluminescencji, kluczem do dobrego widma jest możliwość oddzielenia lasera od fotoluminescencji. Zgodnie z tą procedurą można wprowadzić inne dodatki do konfiguracji, takie jak dodanie analizatorów polaryzacji zarówno do ścieżki wzbudzenia, jak i detekcji.

Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się fizyką półprzewodników do dalszego badania systemów zerowymiarowych, takich jak kropki kwantowe. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś bardzo dobrze zrozumieć, jak używać tej metody spektroskopii fluorescencyjnej z quasi-rezonansem wspomaganym fononem w celu uzyskania bardzo wysokich rozdzielczości widm optycznych atomopodobnych układów półprzewodnikowych. Nie zapominaj, że praca z laserami może być niezwykle niebezpieczna, a środki ostrożności, takie jak odpowiedni sprzęt ochronny, powinny być noszone przez cały czas podczas wykonywania tych eksperymentów.