Yöntem makalesi

Yarı İletken Nanokristallerin ve Diğer Floroforların Zamana Bağlı Fotolüminesans Spektroskopisi

DOI:

10.3791/64101

⸱

4 Ağustos 2022

1Department of Physics, University of Alberta

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu makale, zamanla çözülen fotolüminesans üzerine deneysel bir nasıl yapılır sunmaktadır. Birçok tek foton sayma kurulumunda kullanılan donanım açıklanacak ve temel bir nasıl yapılır sunumu yapılacaktır. Bu, öğrencilerin ve deneycilerin temel sistem parametrelerini ve bunların zaman çözümlü fotolüminesans kurulumlarında nasıl doğru şekilde ayarlanacağını anlamalarına yardımcı olmayı amaçlamaktadır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zaman çözümlü fotolüminesans (TRPL), yarı iletken nanokristallerin ve genel olarak ışık yayan malzemelerin fotofiziğini anlamak için önemli bir tekniktir. Bu çalışma, tek foton sayma (SPC) sistemleri kullanarak nanokristaller ve ilgili malzemeler üzerinde TRPL'nin kurulması ve yürütülmesi için bir astardır. Ölçümdeki temel hata kaynakları, deney düzeneği ve kalibrasyon dikkate alınarak önlenebilir. Dedektör özellikleri, sayım hızı, spektral tepki, optik kurulumlardaki yansımalar ve tek foton sayımı için özel enstrümantasyon ayarları tartışılacaktır. Bu ayrıntılara dikkat etmek, tekrarlanabilirliğin sağlanmasına yardımcı olur ve bir SPC sisteminden mümkün olan en iyi verileri elde etmek için gereklidir. Protokolün temel amacı, bir TRPL öğrencisinin deney kurulumunu ve birçok yaygın tek foton sayma kurulumunda yararlı TRPL verileri elde etmek için genel olarak anlaması gereken temel donanım parametrelerini anlamasına yardımcı olmaktır. İkincil amaç, deneysel zaman çözümlü lüminesans spektroskopisi öğrencisi için yoğunlaştırılmış bir astar görevi görmektir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zamana bağlı fotolüminesans (TRPL), ışıldayan malzemelerin fotofiziğini incelemek için önemli ve standart bir yöntemdir. TRPL ölçüm sistemleri, deneyci tarafından oluşturulan açık kurulumlar olabilir veya doğrudan bir üreticiden satın alınan bağımsız birimler olabilir. Açık kurulumlar, daha deneysel kontrole ve yararlı veri toplamak için ek yollara izin verdikleri için "kapalı kutu" TRPL birimlerinden daha üstün kabul edilir; ancak, ölçümün daha eksiksiz bir şekilde anlaşılmasını talep ederler. TRPL, ışıldayan cihazların geliştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve her zaman yarı iletken nanokristallerin ve diğer ışık yayan malzemelerin temel emisyon spektrumu ile birlikte rapor edilmelidir. TRPL yapmak için birçok yöntem vardır; Bu astar, tek foton sayma sistemlerine odaklanmaktadır.

Başlamadan önce, önceki birkaç çalışmayı kabul etmek önemlidir. İlk olarak, Joseph Lakowicz1'in Floresan Spektroskopisinin İlkeleri, TRPL yöntemleri hakkında bir bölüm içeren geniş bir özettir. Ashutosh Sharma'nın Floresan Spektroskopisine Giriş, esas olarak kimyagerler ve biyologlar tarafından kullanılan zaman ve faz çözümlü florimetreler2 hakkında biraz tarihli bir bölüm içerir. Floresan Spektroskopisi: Yeni Yöntemler ve Uygulamalar3 20 yaşın üzerinde olmasına rağmen değerini korumaktadır. En son bilgiler ve gelişmeler el kitaplarında ve teknik notlardabulunabilir 4,5,6,7,8. TRPL yöntemlerine genel bir giriş için ayrılmış bazı mükemmel bölümler, incelemeler ve e-kitaplar da vardır 9,10,11,12,13,14,15.

Tek foton sayma (SPC) yöntemleri yaygındır ve yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak floresan spektroskopisi öğrencilerinin iyi veri almak için öğrenmesi gereken birkaç kavram vardır. Buradaki ilkeler geneldir ve çok çeşitli SPC deneylerine uygulanabilir. Tabii ki, veriler toplandıktan sonra, uydurma algoritmaları ve yöntemleri bir başka önemli sanattır. TRPL model montajı kritik derecede önemlidir ve önceki birçok çalışmanın özellikle bu özel konuya odaklanmış olmasına rağmen genellikle yanlış yapılır 16,17,18,19. Bununla birlikte, bu çalışma öncelikle TRPL'nin deneysel yönlerine odaklanmaktadır.

Bu çalışmanın mantığı, ortak tek foton sayma (SPC) modülleri ile TRPL gerçekleştirmeye yönelik kapsamlı bir rehber geliştirmektir. Bu sistemler teknik olarak karmaşık olduğundan, temel deneysel değişkenlerin iyi anlaşılması, veri toplamayı optimize etmek ve önlenebilir artefaktların görünümünü en aza indirmek için önemlidir. Optik Kerr geçitleme gibi teknikler ve çizgi kameraları gibi ekipmanlar ultra hızlı TRPL15 için özel fırsatlar sunarken, SPC alanındaki son teknik gelişmeler nanosaniye ve nanosaniye altı TRPL'yi hemen hemen her deneysel optik laboratuvarı için kolayca erişilebilir hale getirdi. SPC ayrıca fotodiyot-osiloskop kombinasyonları gibi eski yöntemlere göre hız ve çözünürlük iyileştirmeleri sunar.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Hazırlık

  1. Laboratuvar için tüm ekipman ve lazer güvenlik prosedürlerini izleyin. Hizalamaları her zaman mümkün olan minimum lazer gücüyle yapın. Uygun lazer koruyucu gözlük takın.
  2. Çıkışı SPC kurulumuna bağlamadan önce numuneden PL spektrumunu kontrol edin. Spektrumun beklendiği gibi göründüğünden ve uyarma lazer ışığının hiçbirinin mevcut olmadığından emin olun. PL'nin, uyarma kaynağını zayıflatarak veya nötr yoğunluk filtreleri kullanarak ayarlanması gerekebilir.
    NOT: Uyarı: çok fazla ışık SPC dedektörüne kalıcı olarak zarar verebilir.
  3. Koleksiyon optiğine giren yansıyan veya saçılan lazer ışığı miktarını en aza indirdiğinizden emin olun, çünkü bu önemli bir artefakt kaynağıdır.

2. Kurulum ve ön hizalama

NOT: Bu adımların çoğu yalnızca yeni bir kurulum oluşturulduğunda gerekli olmalıdır.

DİKKAT: Hizalama yaparken uygun lazer koruyucu gözlükleri takın. Mücevher veya kol saati gibi yansıtıcı kişisel eşyaları çıkarın. Dedektör çok fazla ışığa maruz kalırsa veya uygun olmayan giriş hacimleri kullanırsanız ekipmanda hasar meydana gelebilir.tages özel ekipmanınız için.

  1. Bir defter kullanın ve önce bir eskiz yapın. Daima en az iki ayna kullanın. Aynalar, lazer ışınını hizalamaya yardımcı olur. SPC için kurulum, Şekil 1'de gösterilene benzer görünmelidir; bir akusto-optik modülatör kullanan yavaş bozunmalar için ( Tartışmaya bakınız), Şekil 2'de gösterilene benzer görünecektir.
  2. Düz bir gofret veya slayt veya bir küvette bir çözelti olan bir numuneye sahip olun. Şeffaf erimiş silika veya kuvarstan yapılmış bir sürgü veya küvet kullanın. Mikroskop lamları veya cam şişeler, zayıf beyazımsı bir PL arka planına sahip oldukları ve UV emici oldukları için kullanılmamalıdır.
  3. Işın çizgilerinin optik tablanın yönleri boyunca ilerlemesini sağlamaya çalışın. Direk tutucular için sıkma düğmelerinin kolayca erişilebilir olduğundan emin olun. Işını mümkün olduğunca yatay tutmaya çalışın.
  4. Optik fiberler kullanıyorsanız, fiberleri uygun şekilde seçin. Farklı elyaf çapları ve farklı dalga boyu aralıkları vardır (UV ve NIR için optimize edilmiş elyaflar). Zayıf sinyaller için geniş çaplı bir fiber kullanın. Farklı türdeki lifleri "karıştırmaktan ve eşleştirmekten" kaçının. TRPL, yansımalar nedeniyle uzun lifler gerektirebilir.
  5. Numune bir küvet içindeyse, bir küvet tutucu kullanın. Bir gofret veya sürgü ise, bir gofret kelepçesi tutucusu kullanın.
  6. Deneyi kabaca Şekil 1 veya Şekil 2'de gösterildiği gibi ayarlayın. Lazer ışınının numuneye çarptığından ve toplama optiğinin önüne yakın bir yere indiğinden emin olmak için son aynayı kullanın.
    NOT: Işın küvetin köşesine yakın bir yere çarparsa ve küvetin her yerine yansırsa, çok fazla iç yansıma elde edilebilir. Bu, özellikle zirveye yakın yerlerde garip veya "dağınık" bir TRPL spektrumuna yol açabilir.
  7. Ayna tutucusundaki düğmeyi gevşeterek ve aynayı elinizle yavaşça döndürerek kaba hizalama yapın.
    DİKKAT: Kirişin önüne herhangi bir el koymayın. Yansımalara dikkat edin. Uygun lazer güvenlik gözlükleri takın.
  8. Ayna tutucusundaki hizalama vidalarını veya düğmelerini kullanarak ince hizalama yapın. Bilgisayar ekranındaki PL sinyalini en üst düzeye çıkararak bu ayarı yapın.
  9. Yansıyan tüm ışınları engelleyin. Tüm başıboş kirişlerin hesaba katıldığından ve uygun şekilde engellendiğinden emin olun.
  10. Optik fiberleri asla ~20 cm'den daha küçük yarıçaplara bükmeyin. Aksi takdirde, elyaf kırılabilir.
  11. Mümkünse, lazer dalga boyundan en az 25 nm daha uzun bir kesime sahip uzun geçiren bir filtre kullanın. Girişim filtrelerinin ileri ve geri yönü vardır.
  12. Artefaktlar olmadan net, optimize edilmiş bir PL spektrumu elde edin. Yoğunluğu SPC dedektörü için uygun şekilde ayarlayın. Şüpheniz varsa, düşük bir PL yoğunluğu kullanın.

3. TRPL spektroskopisi

  1. SPC modülü ile veri alma (hızlı dinamikler)
    1. Tek foton sayma dedektörü için uygun lazer engelleme filtresinin ve deklanşör kurulumunun kullanıldığından emin olun. Çok fazla ışık alırsa zarar görür. Deklanşör kapalı.
    2. Lazeri açın ve frekansı istediğiniz gibi ayarlayın. Darbe gecikme jeneratörünü açın ve ayarlayın.
    3. PL'yi SPC dedektörü için filtre/panjur tutucusuna yönlendirin.
    4. Dedektör kontrolörü ve SPC kontrol yazılımı, varsa soğutmanın yanı sıra çalışıyor olmalıdır. Dedektör kazancını daha düşük bir değere ayarlayın. Tüm donanıma güç verin.
    5. Senkronizasyon frekansının SPCM arayüzünde doğru şekilde kaydedildiğinden emin olun.
    6. PMT'ye güç verin (çıkışları etkinleştirin). CFD ve TAC şimdi düşük bir frekans okumalıdır (karanlık sayımlar).
    7. Dedektöre giden deklanşörü yavaşça açın. Bir doygunluk uyarısı görürseniz, hemen kapatın. Aksi takdirde tamamen açın.
      DİKKAT: Çok fazla ışık dedektöre kalıcı olarak zarar verebilir.
    8. Artık daha yüksek CFD, TAC ve ADC sayıları olmalıdır. Dedektör kazancını dikkatli bir şekilde artırın. Yığılmayı önlemek için lazer gücünü ayarlayın.
    9. ADC sayıları düşükse ve TRPL spektrumu görülmüyorsa, TRPL maksimumunu toplama penceresinin sol tarafına yakın (t = 0'a daha yakın) getirmek için gecikme oluşturucuyu veya senkronizasyon frekansını ayarlayın.
    10. Kaydedilen aralıkta iyi bir PL bozulma izi gözlemlenene kadar ana metinde açıklandığı gibi parametrelerde ayarlamalar yapın.
    11. Kayıt bittiğinde, hemen deklanşörü kapatın ve dedektöre giden gücü kapatın. Lazeri kapatın. Verileri kaydedin.
  2. Çok kanallı skaler ile veri alma (yavaş dinamikler)
    1. CW lazer ve akusto-optik modülatör kontrolünü ve gücünü açın.
    2. Lazer deklanşörü açın. Dalga biçimi üretecini 1 Hz'e, uygun voltaj modeline ve büyüklüğüne ayarlayın (örn. 0-4 V kare dalga, %50 çalışma). AOM'nin çıkışını kontrol edin. Ana huzme yoğunluğunun neredeyse yarısı kadar yanıp sönen bir huzme olmalıdır. Değilse, AOM'nin tam hizalamasını gerçekleştirin.
    3. İrisi kullanarak, numune üzerine yalnızca parlak, yanıp sönen ışının hizalandığından emin olun. Frekansı istenen değere yükseltin (örn. 200 Hz). Daha önce açıklandığı gibi bir spektrometre kullanarak PL = kontrol edin.
    4. Dedektöre güç verin. MSC yazılımını çalıştırın. MSC yazılımını prosedüre göre ayarlayın. Zaman adımlarınızı seçin.
    5. PL'yi dedektör girişine yönlendirin. Uygun filtrenin kullanıldığından emin olun.
    6. PMT'ye güç verin ve ardından adım 3.1.7'deki gibi deklanşörü yavaşça açın. Doygunluk uyarısı görünürse deklanşörü hemen kapatın. Eğer öyleyse, PL sinyalini zayıflatın.
    7. Veri toplayın. Deklanşörü hemen kapatın ve işiniz bittiğinde PMT'ye giden gücü devre dışı bırakın. Lazer deklanşörü kapatın. Verileri kaydedin.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Standart bir SPC bozunma eğrisi Şekil 3'te gösterilmiştir. İlk artış, tepe noktası sıfır zamana karşılık gelecek şekilde kaydırıldı (elektronik ve optik gecikmeler nedeniyle ham verilerde durum böyle değildir). Sinyal-arka plan oranı yaklaşık 100'dür çünkü bu numune uzun ömürlü ancak zayıf bir fosforesansa sahiptir. Ana TRPL zirvesinden yaklaşık 50 ns sonra meydana gelen log ölçeğinde zayıf bir yansıma açıkça gözlemlenebilir. Bu, aşağıda daha ayrıntılı olarak bildirildiği gibi, 5 metre uzunl...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Herhangi bir SPC kurulumunda, kullanıcı tarafından anlaşılması gereken, kullanıcı tarafından kontrol edilen birkaç önemli parametre vardır. Bu parametreler, TRPL için SPC yönteminin sınırlamalarını açıklayacak, bir şeyler ters giderse kullanıcının kurulumda daha kolay sorun gidermesine olanak tanıyacak ve iyi veri toplama için etkili bir şekilde gerekli olan kritik adımların anlaşılmasına yardımcı olacaktır. Ayrıca, farklı numuneler genellikle farklı sistem ayarları gerektirecektir - başka bir deyişle, olası tüm SPC bozu...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazar, rekabet eden hiçbir finansal çıkar beyan etmemektedir.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi bu araştırma için fon sağlamaktadır. Şekil 3'teki uyumu gerçekleştirdiği için Xiaoyuan Liu'ya ve nadir toprak katkılı perovskit örneğini sağladığı için Dundappa Mumbaraddi'ye teşekkür ederiz. Referans20'yi kullanıma sunduğu için Julius Heitz'e teşekkür ederiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
AOMIsomet1260C
LazerAlphalasPicopower
LazerTutarlıKurumsal
MCSBecker-HicklPMS-400
PMTBecker-HicklHPM100-50
PMTHamamatsuH-7422
SPCMBecker-HicklEMN130
Serisi

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lakowicz, J. Principles of Fluorescence Spectrscopy 3rd Ed. , Springer. (2006).
  2. Sharma, A., Schulman, S. G. Introduction to Fluorescence Specroscopy. , (1999).
  3. Wolfbeis, O. S. Fluorescence Spectrscopy: New Methods and Applications. , (1993).
  4. Hamamatsu Photonics K.K.. Photomultiplier Tubes: Basics and Applications 3rd Ed. , Hamamatsu Photonics K.K. (2007).
  5. Becker, W. The bh TCSPC Handbook 9th Ed. , Becker & Hickl GmbH. (2015).
  6. Ortec Inc. Time-to-Amplitude Converters and Time Calibrator. , Available from: https://www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/other/tac-time-calibrator.pdf?la=enrevision=14ee528d-df55-4b38-be62-2314ef4ee79d&hash=20F57C21ABDD0803D6C6EB13CD3238FD (2009).
  7. PerkinsElmer. An Introduction to Fluorescence Spectroscopy. , PerkinsElmer. (2000).
  8. Wahl, M. Time-Correlated Single Photon Counting. , PicoQuant GmbH. (2014).
  9. Chithambo, M. L. An Introduction to Time-Resolved Optically Stimulated Luminescence. , IOP Books, Morgan and Claypool Publishers. (2018).
  10. Sulkes, M., Sulkes, Z. Measurement of luminescence decays: high performance at low cost. American Journal of Physics. 79, 1104-1111 (2011).
  11. Lemmetyinen, H., Tkachenko, N. V., Valeur, B., Hotta, J., Ameloot, M., Ernsting, N. P., Gustavsson, T., Boens, N. Pure and Applied Chemistry. , (2014).
  12. Datta, R., Heaster, T. M., Sharick, J. T., Gillette, A. A., Skala, M. C. Fluorescence lifetime imaging microscopy: fundamentals and advances in instrumentation, analysis, and applications. Journal of Biomedical Optics. 25, 071203(2020).
  13. Liu, X., Lin, D., Becker, W., Niu, J., Yu, B., Liu, L., Qu, J. Fast Fluorescence lifetime imaging techniques: A review on challenge and development. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 12, 1930003(2019).
  14. Willimink, W. J., Persson, M., Pourmorteza, A., Pelc, N. J., Fleischmann, D. Photon-counting CT: Technical Principles and Clinical Prospects. Radiology. (289), 293-312 (2018).
  15. Achermann, M. A. Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy. Optical Techniques for Solid State Materials Characterization. , CRC Press. Chapter 12 (2016).
  16. Jakob, M., Aissiou, A., Morrish, W., Marsiglio, F., Islam, M., Kartouzian, A., Meldrum, A. Reappraising the Luminescence Lifetime Distributions in Silicon Nanocrystals. Nanoscale Research Letters. 13, 383(2018).
  17. Berberan-Santos, M. N., Bodunov, E. N., Valeur, B. Mathematical functions for the analysis of luminescence decays with underlying distributions 1. Kohlrausch decay function (stretched exponential). Chem Phys. (315), 171-182 (2005).
  18. van Driel, A. F., Nikolaev, I. S., Vergeer, P., Lodahl, P., Vanmaekelbergh, D., Vos, W. L. Statistical analysis of time-resolved emission from ensembles of semiconductor quantum dots: Interpretation of exponential decay models. Physical Review B. 75, (2007).
  19. Röding, M., Bradley, S. J., Nydén, M., Nann, T. Fluorescence Lifetime Analysis of Graphene Quantum Dots. Journal of Physical Chemistry C. 118, 30282-30290 (2014).
  20. How to optimize the TAC settings. , Available from: https://www.becker-hickl.com/faq/how-to-optimize-the-tac-settings (2019).
  21. Szlazak, R., Tutaj, K., Grudzinski, W., Gruszecki, W. I., Luchawski, R. Plasmonic-based instrument response function for time-resolved fluorescence: Toward proper lifetime analysis. Journal of Nanoparticle Research. 15, 1677(2013).
  22. Suchowski, R. L., Gryczynski, Z., Sarkar, P., Borejdo, J., Szabelski, M., Kapusta, P., Gryzynski, I. Review of Scientific Instruments. 80, 033109(2009).
  23. Caccia, M., Nardo, L., Santoro, R., Schaffhauser, D. Silicon Photomultipliers and SPAD imagers in biophotonics: Advances and perspective. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. (926), 101-117 (2019).
  24. Acerbi, F., Perenzoni, M. High Sensitivity Photodetector for Photon-Counting Applications. Photon Counting Edited. , IntechOpen. (2018).
  25. Gundacker, S., Heering, A. The silicon photomultiplier: fundamentals and applications of a modern solid-state photon detector. Physics in Medicine and Biology. (65), 17TR01(2020).
  26. Isomet Application Note AN0510, Acousto-optic modulation. , Available from: https://isomet.com/App-Manual_pdf/AO%20Modulation.pdf (2014).
  27. AA OptoElectronic, Acousto-optic Theory Application Notes. , Available from: http://www.aaoptoelectronic.com/wp-content/uploads/documents/AAOPTO-Theory2013-4.pdf (2013).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Tek Foton Say mFloresan MalzemelerDeneysel D zenekDetekt r zellikleriSpektral Yan tOptik Yans malarL minesans Spektroskopisi
Video yakında

İlgili makaleler