La espectroscopia fotoluminiscente es un tipo de espectroscopia óptica basada en la medida del espectro de radiación electromagnética emitida como consecuencia del fenómeno de fotoluminiscencia inducido en la muestra objeto de estudio por excitación de la misma con radiación electromagnética. Uno de los principales métodos experimentales para el estudio de las propiedades ópticas de los materiales y, en particular, de las micro y nanoestructuras de semiconductores .
La esencia del método radica en el hecho de que la muestra estudiada se irradia en el rango visible, infrarrojo o ultravioleta . Los cuantos de luz absorbidos por la muestra, los fotones , excitan los electrones situados en la banda de valencia , lo que provoca su transición a la banda de conducción . Además, los electrones experimentan procesos de relajación y, perdiendo gradualmente su energía, eventualmente alcanzan el límite inferior de la banda de conducción u otros niveles de energía vacíos , donde se recombinan con los huecos, mientras emiten fotones con una energía menor o igual a la energía de los electrones. fotones absorbidos. El espectro de ondas emitidas, denominado espectro de emisión , se analiza utilizando un sistema que consiste en un monocromador , un tubo fotomultiplicador , un ADC y una computadora. Así, los espectros obtenidos permiten estudiar la estructura de los niveles de energía de la materia y muchos otros aspectos de la física de los semiconductores y otros materiales.
Hay varios tipos principales de espectroscopia fotoluminiscente y muchas modificaciones. Cada técnica le permite estudiar diferentes propiedades de la muestra, por lo tanto, para un estudio completo de una muestra, a menudo se utilizan varios métodos diferentes [1] .
En la versión clásica del método , el rayo láser se enfoca en un punto de aproximadamente un milímetro de diámetro en la superficie de la muestra. La luz emitida es recogida por un sistema de lentes y enfocada en el orificio de entrada del monocromador . Dentro del monocromador, una rejilla de difracción móvil divide la luz de modo que solo los fotones de una cierta longitud de onda (o un cierto rango estrecho de longitudes de onda) se envían al detector, que es una matriz CCD . En este caso, el rayo láser reflejado en la superficie de la muestra es cortado por el filtro espectral instalado en la entrada del monocromador. La rotación gradual de la rejilla de difracción proporciona una medida de la intensidad de la luz en cada longitud de onda del rango considerado. La resolución espectral de tal sistema está determinada por la rejilla de difracción. Así, el experimento mide el espectro de radiación, es decir, la dependencia de la intensidad de la radiación de su longitud de onda (o energía).
Esta modificación de la espectroscopia fotoluminiscente está diseñada para estudiar micro y nano objetos con un tamaño no superior a unos pocos micrómetros . La principal diferencia con la técnica clásica es el uso de una lente óptica con un aumento de 20-100x para enfocar el rayo láser en un solo nanoobjeto. Para ello, la superficie es iluminada por un segundo haz de luz que, reflejado en la superficie, cae junto con el haz láser reflejado sobre una cámara de vídeo, cuya imagen es vista por el experimentador, lo que permite un control preciso de la posición del rayo láser en la superficie de la muestra. La instalación de la espectroscopia microfotoluminiscente es más complicada que la clásica y requiere una sintonización más precisa, debido a la necesidad de enfocar simultáneamente dos haces de luz. Por otro lado, esta técnica es capaz de traer resultados más precisos, porque. trabaja con un solo nanoobjeto, por ejemplo , un nanobigotes , mientras que en la técnica clásica, el láser excita inevitablemente una gran cantidad de nanoobjetos ubicados en la superficie, lo que lleva a promediar los resultados obtenidos.
Esta técnica sirve principalmente para medir la vida útil de los portadores de carga en un material [1] [2] . En este método, la excitación de la muestra se realiza mediante pulsos láser cortos , y se mide la atenuación de la radiación emitida por la muestra a lo largo del tiempo. Para tales mediciones, en lugar de un sistema simple de un monocromador y un detector, se usa una cámara óptica electrónica especial (cámara de rayas), y el resultado de la medición es una imagen bidimensional de la dependencia de la intensidad de la radiación en el tiempo y su longitud de onda.
Este tipo de espectroscopia de fotoluminiscencia difiere de la clásica en que la muestra no se excita en una longitud de onda (es decir, por un láser), sino sucesivamente con diferentes longitudes de onda, mientras que la radiación se detecta solo en una longitud de onda. Por ejemplo, en el caso de estudiar estructuras de semiconductores, la detección se suele realizar a una longitud de onda correspondiente a la banda prohibida del semiconductor, y la excitación a longitudes de onda iguales o inferiores a esta. Para la excitación a diferentes longitudes de onda, el láser suele sustituirse por un sistema formado por una lámpara halógena o una combinación de xenón y deuterio. lámparas y un monocromador de excitación que permite seleccionar la longitud de onda de excitación deseada. Este método le permite estudiar de manera efectiva la estructura de los niveles de energía en la muestra, ya que la recombinación entre diferentes niveles de energía se vuelve más claramente visible que en otros métodos [1] .
Todos los tipos anteriores de espectroscopia de fotoluminiscencia se pueden llevar a cabo a varias temperaturas (normalmente por debajo de la temperatura ambiente) y en particular a la temperatura del helio líquido (4 K ). Para ello, la muestra se coloca en un criostato , en el que se crea un vacío y se suministra helio líquido a la muestra, enfriándola. El elemento calefactor presente en el criostato le permite compensar el enfriamiento y así controlar la temperatura, manteniéndola en el nivel deseado.
Cuando se utiliza la espectroscopia de fotoluminiscencia, por regla general, tiene sentido realizar no una sola medición, sino una serie de experimentos en los que se varían uno o varios parámetros del sistema. A continuación, consideramos los principales parámetros utilizados en la espectroscopia de fotoluminiscencia para configurar dicha serie de experimentos.
La realización de una serie de experimentos con diferentes potencias de excitación de una muestra juega un papel fundamental en la espectroscopia de fotoluminiscencia. En particular, en los semiconductores, la dependencia de la intensidad de radiación de la potencia de excitación muestra los tipos y canales de recombinación , y puede servir como indicador de la presencia de recombinación no radiativa en defectos y otros procesos [1] . Para controlar la potencia de excitación, por regla general, se utilizan filtros de luz neutra que reducen la potencia inicial del láser, que, por regla general, es de 5 a 20 mW.
La temperatura de la muestra en estudio también es un parámetro clave en la espectroscopia de fotoluminiscencia. De particular interés son las medidas a baja temperatura (4K), así como la observación de cambios en el espectro con la temperatura. Por ejemplo, medir la intensidad de la radiación en función de la temperatura (el llamado diagrama de Arrhenius ) puede dar una idea de los canales de recombinación en los semiconductores y permite estimar la energía de activación y otros parámetros [1] . La medición del ancho de los picos de fotoluminiscencia en función de la temperatura permite sacar conclusiones sobre la distribución de los portadores de carga en la estructura. Así, es posible realizar, por ejemplo, medidas de campos eléctricos surgidos en nanoestructuras [3] y otras medidas indirectas. En general, desde Dado que las propiedades de los semiconductores dependen en gran medida de la temperatura, la espectroscopia de baja temperatura juega un papel importante en el estudio de materiales y nanoestructuras.
El fenómeno de la fotoluminiscencia en muestras de semiconductores, salvo raras excepciones, sólo puede ocurrir a una energía de excitación mayor (excitación no resonante) o igual (excitación resonante) a la banda prohibida , es decir, con una longitud de onda menor o igual a la longitud de onda correspondiente a este ancho. Como consecuencia, el estudio de materiales semiconductores utilizando diferentes longitudes de onda es de particular interés. En particular, una comparación de los resultados de las mediciones bajo excitaciones resonantes y no resonantes puede dar una idea de los procesos de relajación de los portadores de carga y la presencia de defectos en la muestra [4] . También se basa en el cambio en la longitud de onda de excitación el método de espectroscopia de excitación fotoluminiscente (PLE) descrito anteriormente.
La espectroscopia fotoluminiscente permite analizar la polarización de la radiación absorbida y emitida. Para ello, se colocan polarizadores delante del láser y del monocromador, respectivamente . Al estudiar la intensidad de la radiación en función del ángulo de rotación del polarizador, se pueden sacar conclusiones sobre la anisotropía de polarización del material. Este método se utiliza para estudiar, por ejemplo, la polarización de nanobigotes [5] [6] .
Marychev MO, Gorshkov A.P. Una guía práctica de espectroscopia óptica de nanoestructuras sólidas y materiales a granel . - Nizhny Novgorod, 2007. - S. 90.
Espectroscopía de fotoluminiscencia Wickenden AE para análisis de semiconductores. - Universidad Johns Hopkins, 1989. - S. 260.