51420 spektroskopia058

116

Pomiary widm fotoluminescencji

Materiały do świecenia można pobudzić za pomocą dowolnego silnego źródła światła. Zazwyczaj stosuje się źródła monochromatyczne, zwłaszcza lasery. Ważne jest, aby energia światła pobudzającego była wyższa od przerwy energetycznej badanego materiału. Moc wiązki pobudzającej musi być dostatecznie duża, aby można było uzyskać emisję możliwą do zmierzenia. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że zbyt duża moc padająca na próbkę może podnieść jej temperaturę (dotyczy to zwłaszcza pomiarów luminescencji w niskich temperaturach), a także uszkodzić jej powierzchnię.

Rys. 71. Schemat układu do pomiarów widm fotoluminescengi (PL) i widm pobudzania luminescengi (PLE). MS — monochromator dwusiatkowy o wysokiej zdolności rozdzielczej, LT — laser przestrajalny, Fj, F₂ — filtry pochłaniające promieniowanie spoza zakresu pomiarowego, C₂ — modulator światła umożliwiający pomiar metodą fazoczułą, C₂ — modulator stosowany do pomiarów PLE, L — soczewka, P — próbka w kriostacie niskotemperaturowym

Schemat układu do pomiaru widm fotoluminescencji przedstawia rysunek 71

Jeżeli zamiast lasera o ustalonej długości fali zastosujemy laser przestrajalny, np. barwnikowy, lub inny element zmieniający długość fali pobudzającej luminescencję, to uzyskamy możliwość pomiaru widma ekscytacji luminescencji. W pomiarze PLE uzyskujemy zależność natężenia luminescencji o określonej energii — jedno z przejść przedstawionych na rys. 70 — od energii pobudzania luminescencji. Widmo ekscytacji luminescencji odpowiada w dużym stopniu zależności spektralnej współczynnika absorpcji i dlatego metoda PLE w pewnych sytuacjach dostarcza informacji o przejściach absorpcyjnych w badanych materiałach.

Standardowe układy do fotoluminescencji pozwalają uzyskać zdolność rozdzielczą widm rzędu 1 meV. W zakresie fal widzialnych i krótszych stosowane są fotopowielacze z katodą GaAs. W zakresie fal dłuższych, do 1,1 pm, stosowane są standardowe fotopowielacze z charakterystyką S— 1. Idąc w kierunku fal dłuższych, stosuje się kolejno detektory germanowe (1,1 —1,8 gm) oraz wykonane z PbS, InAs lub In. W celu uzyskania najlepszego stosunku sygnał-szum, wskazane jest chłodzenie fotopowielacza do temperatury 240 — 270 K, a detektorów do 77 K. Zwiększenie czułości układu można również uzyskać stosując, zamiast omówionych, technikę zliczania fotonów, wykorzystującą specjalny typ fotopowielacza oraz odpowiedni miernik, nazywany licznikiem fotonów. Zamiast monochromatora można zastosować układ wykorzystywany w spektroskopii fourierowskiej (FT—PL). Daje to znaczne zwiększenie czułości oraz zdolności rozdzielczej (do 0,06 meV).

Pomiary fotoluminescencji są najbardziej efektywne w niskich temperaturach, ponieważ termiczne rozmycie energii wzbudzanych nośników staje się mniejsze. Poszerzenie takie jest rzędu kT, dlatego jego wartości wynoszą odpowiednio: 25 meV w temperaturze pokojowej, 6 meV w 77 K i ok. 0,5 meV w temperaturze ciekłego helu (4 K).

Niskotemperaturowe pomiary umożliwiają separację poszczególnych maksimów i ułatwiają identyfikację obserwowanych przejść. Obniżenie temperatury zmniejsza również udział przejść niepromieni-stych, dając wyższą efektywność procesów fotoluminescencji, co również wpływa na poprawę stosunku sygnał-szum.

Oprócz badania procesów fizycznych związanych z przejściami przedstawionymi wcześniej (rys. 70), pomiary fotoluminescencji są wykorzystywane do testowania parametrów dużych powierzchni podłoży lub struktur półprzewodnikowych. Stosuje się do tego celu komputerowo sterowane przesuwne w dwóch kierunkach stoliki, na których mocuje się badaną płytkę.

Interesującym przykładem fotoluminescencji międzypasmowej są wyniki uzyskane dla germanu. W półprzewodniku tym dno pasma przewodnictwa odpowiadające przerwie prostej jest o 0,15 eV powyżej bezwzględnego dna pasma przewodnictwa. Możliwe jest wzbudzenie