Фотолюмінесцентна спектроскопія

У класичній версії методу лазерний промінь фокусується в точку діаметром близько міліметра на поверхні зразка. Випромінене світло збирається системою лінз і фокусується на вхідному отворі монохроматора. Усередині монохроматора рухлива дифракційна ґратка розщеплює світло так, що лише фотони певної довжини хвилі (або певного вузького діапазону довжин хвиль) спрямовуються в детектор, який являє собою ПЗС-матрицю. При цьому лазерний промінь, відбитий від поверхні зразка, обрізається спектральним фільтром, встановленим на вході в монохроматор. Поступовий поворот дифракційної ґратки забезпечує вимірювання інтенсивності світла на кожній довжині хвилі розглянутого діапазону. Спектральна роздільність такої системи визначається дифракційною ґраткою. Таким чином, в експерименті вимірюється спектр випромінювання, тобто залежність інтенсивності випромінювання від його довжини хвилі (або енергії).

Ця модифікація фотолюмінесцентної спектроскопії призначена для вивчення мікро- і нанооб'єктів розміри яких не перевищують кілька мікрометрів. Основною відмінністю від класичного методу є використання оптичного об'єктива з 20-100-кратним збільшенням для фокусування лазерного променя на окремо взятому нанооб'єкті. З цією метою поверхня підсвічується другим променем світла, який, відбиваючись від поверхні, потрапляє разом з відбитим лазерним променем на відеокамеру, зображення з якої бачить експериментатор, що дозволяє точно контролювати положення лазерного променя на поверхні зразка. Установка мікро-фотолюмінесцентної спектроскопії влаштована складніше від класичної і вимагає більш точного налаштування, через необхідність одночасного фокусування двох променів світла. З іншого боку, ця методика здатна принести точніші результати, оскільки працює з одиничним нанооб'єктом, наприклад нановіскером, тоді як за класичної методики лазер неминуче збуджує велику кількість нанооб'єктів, які перебувають на поверхні, що призводить до усереднення отриманих результатів.

Ця методика призначена переважно для вимірювання часів життя носіїв заряду в матеріалі[1][2]. В даному методі збудження зразка проводиться короткими лазерними імпульсами, а вимірюється загасання випущеного зразком випромінювання в часі. Для таких вимірювань замість простої системи з монохроматора і детектора використовується спеціальна електронно-оптична камера (стрік-камера), а результатом вимірювань є двовимірна картина залежності інтенсивності випромінювання від часу і його довжини хвилі.

Цей вид фотолюмінесцентної спектроскопії відрізняється від класичного тим, що зразок збуджується не на одній довжині хвилі (тобто одним лазером), а послідовно різними довжинами хвиль, в той час як детектується випромінювання тільки на якійсь одній довжині хвилі. Наприклад, у разі вивчення напівпровідникових структур, детектування зазвичай проводиться на довжині хвилі, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника, а збудження на довжинах хвиль, що дорівнюють і менші від неї. Для збудження на різних довжинах хвиль, лазер зазвичай замінюється системою, що складається з галогенної лампи і монохроматора, що дозволяє вибрати бажану довжину хвилі збудження. Даний метод дозволяє ефективно вивчати структуру енергетичних рівнів у зразку, оскільки рекомбінація між різними енергетичними рівнями стає видна більш чітко, ніж в інших методах[1].

Всі перераховані вище види фотолюмінесцентної спектроскопії можуть проводитися за різних температур (як правило, нижче кімнатної) і зокрема за температури рідкого гелію (4 К). З цією метою зразок поміщається в кріостат, у якому створюється вакуум і до зразка підводиться рідкий гелій, що охолоджує зразок. Наявний у кріостаті нагрівальний елемент дозволяє компенсувати охолодження і таким чином контролювати температуру, підтримуючи її на бажаному рівні.

Проведення серії експериментів з різними значеннями потужності збудження зразка має ключову роль у фотолюмінесцентній спектроскопії. Зокрема, в напівпровідниках залежність інтенсивності випромінювання від потужності збудження показує типи і канали рекомбінації, і може служити індикатором наявності безвипромінювальної рекомбінації на дефектах та інших процесів[1]. Для контролю потужності збудження, як правило, використовуються нейтральні світлофільтри, що знижують вихідну потужність лазера, яка, як правило, становить 5-20 мВт.

Температура досліджуваного зразка також є ключовим параметром фотолюмінесцентної спектроскопії. Особливий інтерес являють вимірювання за низькій температурі (4К), а також спостереження змін у спектрі під час змінювання температури. Наприклад, вимірювання інтенсивності випромінювання залежно від температури (так званий графік Арреніуса) може давати уявлення про канали рекомбінації в напівпровідниках і дозволяє оцінити енергію активації та інші параметри[1]. Вимірювання ширини піків фотолюмінесценції, як функції температури, дозволяє робити висновки про розподіл носіїв заряду в структурі. Таким чином можна проводити, наприклад, вимірювання електричних полів, що виникають у наноструктурах[3], та інші не прямі вимірювання. В цілому, оскільки властивості напівпровідників дуже залежать від температури, то низькотемпературна спектроскопія відграє важливу роль у вивченні матеріалів і наноструктур.

Явище фотолюмінесценції в напівпровідникових зразках, за рідкісним винятком, може відбуватися тільки за енергії збудження, більшої (не резонансне збудження) або рівної (резонансне збудження) ширині забороненої зони, тобто з довжиною хвилі, меншою або рівною довжині хвилі, що відповідає цій ширині. Як наслідок, вивчення напівпровідникових матеріалів з використанням різних довжин хвиль становить особливий інтерес. Зокрема, порівняння результатів вимірювань за резонансного і не резонансного збуждення може давати уявлення про процеси релаксації носіїв заряду і наявності дефектів у зразку[4]. Також на змінюванні довжини хвилі збудження ґрунтується метод фотолюмінесцентної спектроскопії збудження (PLE), описаний вище.

Фотолюмінесцентна спектроскопія дозволяє аналізувати поляризацію поглиненого і випущеного випромінювання. З цією метою перед лазером і монохроматором відповідно встановлюються поляризатори. Вивчаючи інтенсивність випромінювання як функцію кута повороту поляризатора, можна зробити висновки про поляризаційну анізотропію матеріалу. Таким методом вивчають, наприклад, поляризацію нановіскерів[5][6].