Фотолюминесцентная спектроскопия

В классической версии метода лазерный луч фокусируется в точку диаметром около миллиметра на поверхности образца. Излучённый свет собирается системой линз и фокусируется на входном отверстии монохроматора. Внутри монохроматора подвижная дифракционная решётка расщепляет свет так, что лишь фотоны определённой длины волны (или определённого узкого диапазона длин волн) направляются в детектор, представляющий собой ПЗС-матрицу. При этом лазерный луч, отражённый от поверхности образца, обрезается спектральным фильтром, установленным на входе в монохроматор. Постепенный поворот дифракционной решетки обеспечивает измерение интенсивности света на каждой длине волны рассматриваемого диапазона. Спектральное разрешение такой системы определяется дифракционной решёткой. Таким образом, в эксперименте измеряется спектр излучения, то есть зависимость интенсивности излучения от его длины волны (или энергии).

Эта модификация фотолюминесцентной спектроскопии предназначена для изучения микро- и нанообъектов размером, не превышающих несколько микрометров. Основным отличием от классической методики является использование оптического объектива с 20-100-кратным увеличением для фокусировки лазерного луча на отдельно взятом нанообъекте. С этой целью поверхность подсвечивается вторым лучом света, который, отражаясь от поверхности, попадает вместе с отражённым лазерным лучом на видеокамеру, изображение с которой видит экспериментатор, что позволяет точно контролировать положение лазерного луча на поверхности образца. Установка микро-фотолюминесцентной спектроскопии устроена сложнее классической и требует более точной настройки, из-за необходимости одновременной фокусировки двух лучей света. С другой стороны, эта методика способна принести более точные результаты, т.к. работает с единичным нанообъектом, например нановискером, тогда как в классической методике лазер неизбежно возбуждает большое количество нанообъектов, находящихся на поверхности, что приводит к усреднению полученных результатов.

Эта методика служит в основном для измерения времён жизни носителей заряда в материале[1][2]. В данном методе возбуждение образца производится короткими лазерными импульсами, а измеряется затухание испущенного образцом излучения во времени. Для таких измерений вместо простой системы из монохроматора и детектора используется специальная электронно-оптическая камера (стрик-камера), а результатом измерений является двумерная картина зависимости интенсивности излучения от времени и его длины волны.

Этот вид фотолюминесцентной спектроскопии отличается от классического тем, что образец возбуждается не на одной длине волны (то есть одним лазером), а последовательно различными длинами волн, в то время как детектируется излучение только на какой-то одной длине волны. Например, в случае изучения полупроводниковых структур, детектирование обычно проводится на длине волны, соответствующей ширине запрещённой зоны полупроводника, а возбуждение на длинах волн, равной и меньше этой. Для возбуждения на разных длинах волн, лазер обычно заменяется системой, состоящей из галогенной лампы и монохроматора, позволяющего выбрать желаемую длину волны возбуждения. Данный метод позволяет эффективно изучать структуру энергетических уровней в образце, так как рекомбинация между разными энергетическими уровнями становится видна более отчётливо, нежели в других методах [1].

Все вышеперечисленные виды фотолюминесцентной спектроскопии могут проводиться при различных температурах (как правило, ниже комнатной) и в частности при температуре жидкого гелия (4К). С этой целью образец помещается в криостат, в котором создаётся вакуум и к образцу подводится жидкий гелий, охлаждающий образец. Имеющийся в криостате нагревательный элемент позволяет компенсировать охлаждение и таким образом контролировать температуру, поддерживая её на желаемом уровне.

Проведение серии экспериментов с различными значениями мощности возбуждения образца имеет ключевую роль в фотолюминесцентной спектроскопии. В частности, в полупроводниках зависимость интенсивности излучения от мощности возбуждения показывает типы и каналы рекомбинации, и может служить индикатором наличия безызлучательной рекомбинации на дефектах и других процессов[1]. Для контроля мощности возбуждения, как правило, используются нейтральные светофильтры понижающие исходную мощность лазера, которая, как правило, составляет 5—20 мВт.

Температура изучаемого образца также является ключевым параметром в фотолюминесцентной спектроскопии. Особый интерес представляют измерения при низкой температуре (4К), а также наблюдение изменений в спектре при изменении температуры. Например, измерение интенсивности излучения в зависимости от температуры (так называемый график Аррениуса) может давать представление о каналах рекомбинации в полупроводниках и позволяет оценить энергию активации и другие параметры[1]. Измерение ширины пиков фотолюминесценции, как функции температуры, позволяет делать выводы о распределении носителей заряда в структуре. Таким образом можно проводить, например, измерения электрических полей, возникающих в наноструктурах[3] и другие непрямые измерения. В целом, т.к. свойства полупроводников сильно зависят от температуры, то низкотемпературная спектроскопия играет важнейшую роль в изучении материалов и наноструктур.

Явление фотолюминесценции в полупроводниковых образцах, за редким исключением, может происходить только при энергии возбуждения, большей (не резонансное возбуждение) или равной (резонансное возбуждение) ширине запрещённой зоны, то есть с длиной волны, меньшей или равной длине волны, соответствующей этой ширине. Как следствие, изучение полупроводниковых материалов с использованием разных длин волн представляет особый интерес. В частности, сравнение результатов измерений при резонансном и не резонансном возбуждениях может давать представления о процессах релаксации носителей заряда и наличии дефектов в образце[4]. Также на изменении длины волны возбуждения основан метод фотолюминесцентной спектроскопии возбуждения (PLE), описанный выше.

Фотолюминесцентная спектроскопия позволяет проводить анализ поляризации поглощенного и испущенного излучения. С этой целью перед лазером и монохроматором соответственно устанавливаются поляризаторы. Изучая интенсивность излучения как функцию угла поворота поляризатора, можно сделать выводы о поляризационной анизотропии материала. Таким методом изучают, например, поляризацию нановискеров[5][6].