-Ressonância Quasi alta resolução Phonon assistida espectroscopia de fluorescência

O objetivo geral da Espectroscopia de Florescência de Quase-ressonância assistida por fônon é alcançar a resolução limitada da largura de linha do laser dos espectros ópticos de estruturas semicondutoras semelhantes a átomos com uma configuração de espectroscopia fotoluminescente padrão. Este método facilita o estudo em espectroscopia óptica de semicondutores relacionados a sistemas de dimensão zero, como pontos quânticos, centros de vacância de nitrogênio em diamante e defeitos em carboneto de silício. A principal vantagem dessa técnica é que ela tem a capacidade de obter espectros ópticos de alta resolução de características de energia inferiores a 10 microelétron-volts, retendo informações de polarização.

As implicações desta técnica estendem o poder da espectroscopia óptica devido à sua capacidade de obter espectros ópticos de alta resolução. Indivíduos novos no método terão dificuldade em encontrar o sinal. O maior obstáculo é usar um único espectrômetro e filtro de extinção para eliminar a luz laser difusa.

Comece com o material ou dispositivo que será usado no experimento. Este dispositivo possui moléculas de pontos quânticos montadas em um chip. Uma visão geral das moléculas de pontos quânticos é fornecida neste esquema.

Existem duas camadas de pontos quânticos de arseneto de índio que estão embutidas entre as camadas de arseneto de gálio. Cada ponto quântico pode ser endereçado opticamente. As moléculas de pontos quânticos estão na região intrínseca de um diodo Schottky, permitindo a aplicação de um campo elétrico.

O primeiro passo é montar o dispositivo no dedo frio do criostato para esfriar. Antes de montar o chip no dedo frio, aplique papel alumínio para o chip descansar. Em seguida, coloque o chip na posição em cima do papel alumínio.

Use parafusos e arruelas em cada extremidade do dispositivo para apertá-lo firmemente ao dedo frio e garantir um bom contato térmico. Continue conectando os fios do eletrodo dos dispositivos aos contatos no criostato que se conectam a um medidor de fonte. Agora monte o criostato em um estágio de tradução XYZ e torne a amostra acessível a sondas ópticas.

Nesse caso, o estágio de tradução já está no caminho óptico do experimento. Evacue o criostato antes de resfriá-lo até a temperatura desejada. Assim que a amostra esfriar, comece a trabalhar com os elementos ópticos.

Para fotoluminescência, tenha uma objetiva de longa distância de trabalho e uma lente de colimação no lugar para capturar a luz da amostra. A partir daí, use espelhos para direcionar a luz para um espectrômetro de estágio único. Empregue uma câmera CCD resfriada a nitrogênio para detectar os espectros.

Neste experimento, usamos o último estágio de um espectrômetro triplo. Para fins de alinhamento, monte uma fonte de luz branca perto da amostra. Ilumine a amostra com a fonte antes de continuar.

Empregue uma câmera separada para capturar a imagem da amostra no espectrômetro. Na bancada, trabalhe para alinhar adequadamente as lentes de colimação e foco para aumentar a nitidez da imagem da amostra. Conclua os esforços de alinhamento somente quando uma imagem limpa e focada aparecer na câmera.

Depois de remover a fonte de luz, prepare um laser para excitar a amostra. Use um laser de diodo ajustável definido para uma energia acima das transições do estado fundamental. Direcione o laser para a amostra em um ângulo oblíquo para reduzir a detecção de luz dispersa.

Empregue uma lente para focar o ponto do feixe no menor tamanho possível na região capturada pela câmera. Uma visão geral da configuração neste ponto é fornecida neste esquema. Observe o ângulo oblíquo da luz do laser na amostra para redução de ruído.

Use o laser para excitar uma energia mais alta e não ressonante e execute o software de aquisição de espectro no modo de foco para observar o sinal. Use o estágio de tradução da caixa de amostra para escanear a amostra através do ponto de laser. Quando o CCD capturar as linhas discretas das transições de estado fundamental, pare a varredura.

Concentre-se em uma molécula de ponto quântico e otimize o sinal ajustando a posição do feixe de laser. A próxima etapa é gerar um mapa de polarização usando o software de controle de volta. O software primeiro aplica um potencial de polarização nos eletrodos de amostra com um medidor de fonte.

Em seguida, ele registra o espectro associado a esse valor de polarização. O mapa é gerado incrementando o potencial de polarização em intervalos regulares, registrando o espectro de energia em cada valor de polarização e usando os dados para produzir essa representação. Dado um mapa de viés, identifique a transição que será animada.

Observe a transição Energia e a faixa de interesse de polarização. Nesta figura, a transição é feita pela varredura da temperatura da amostra. Um sinal de detecção estará presente quando o laser estiver ressonante com a transição.

Use a transição escolhida para determinar os filtros de borda para a configuração óptica. A energia de transição justifica um filtro passa-curto de 960 nanômetros para o ramo de excitação. Uma energia de emissão de fônon óptico longitudinal para a liga semicondutora justifica um filtro passa-longo de 960 nanômetros para o ramo de detecção.

O tipo de filtro na configuração pode facilitar as etapas posteriores. Os filtros de corte de interferência são ideais porque podem ser ajustados ajustando o ângulo. No computador, defina a energia de excitação do laser e a frequência central do fônon óptico longitudinal negativo.

Inicie o CCD, coletando espectros no modo contínuo. O sinal pode estar oculto por dispersão neste ponto. Para maximizar o sinal, volte para a bancada.

Lá, ajuste o filtro passa-curto ajustando seu ângulo para ter o corte de comprimento de onda adequado. Monitore o sinal para feedback para determinar o melhor ângulo. No software de controle de laboratório, defina a energia do laser para varrer uma faixa centrada na energia de transição e defina a faixa de tensões de polarização para varrer.

Este mapa de polarização foi criado definindo a energia do laser, variando a polarização ao longo de seu alcance para coletar um espectro e, em seguida, repetindo-o em toda a faixa de energias do laser. Ao coletar dados em segundo plano simultaneamente, os dois podem ser usados durante o pós-processamento para remover sinais espúrios e criar uma imagem aprimorada. Como visto nesses esquemas, a configuração experimental para o método de espectroscopia assistida por fônon é quase a mesma da espectroscopia padrão.

A única diferença é a presença de filtros de borda nos caminhos do feixe de detecção e excitação no método assistido por fônon. Para comparar esta técnica com outras, considere a resolução de um éxciton neutro. Esses dados são de um único espectrômetro com excitação não residente em torno de 918 nanômetros.

A resolução espectral é de cerca de 26 microelétron-volts por pixel, e a divisão da troca de elétrons-buracos não pode ser resolvida. Quando a mesma região espectral é estudada com um espectrômetro no modo aditivo triplo, a resolução é de cerca de 10 microelétron-volts. A divisão elétron-buraco está começando a ser resolvida.

Usando o método de espectroscopia assistida por fônon quase-ressonante na mesma região espectral, a resolução é limitada por laser, dando melhor do que uma resolução de microelétron-volt, e os dois picos são bem resolvidos. A curva vermelha é o resultado de um ajuste duplo-Lorentziano. Ele sugere uma divisão isotrópica de troca de elétrons-buracos de cerca de 23,3 microelétron-volts.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em questão de algumas horas. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que depois de obter o sinal de fotoluminescência, a chave para um bom espectro é ser capaz de separar o laser da fotoluminescência. Seguindo este procedimento, outras adições podem ser feitas à configuração, como adicionar analisadores de polarização ao caminho de excitação e detecção.

Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo da Física de Semicondutores explorarem ainda mais sistemas de dimensão zero, como pontos quânticos. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma compreensão muito boa de como usar este método de espectroscopia de fluorescência de quase-ressonância assistida por fônon para obter espectros ópticos de alta resolução de sistemas de estado sólido semelhantes a átomos. Não se esqueça de que trabalhar com lasers pode ser extremamente perigoso, e precauções como equipamentos de segurança adequados devem ser usadas o tempo todo ao realizar esses experimentos.