WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
А.В. Баранов, А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В СИСТЕМАХ С ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТЬЮ.

ЧАСТЬ 2 Санкт-Петербург 2011 3 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ А.В. Баранов, А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В СИСТЕМАХ С ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТЬЮ. ЧАСТЬ 2 Санкт-Петербург 2011 4 А.В. Баранов, А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова. Техника физического эксперимента в системах с пониженной размерностью.

Часть 2. Лабораторный практикум. – СПб: НИУ ИТМО, 2011. – 40 с.

Лабораторный практикум предназначен для магистрантов второго курса факультета Фотоники и оптоинформатики, обучающихся по магистерской программе 200700.68.05 «Оптика наноструктур» по направлению подготовки 200700 «Фотоника и оптоинформатика» и содержит описание шести лабораторных работ к дисциплине «Методы и техника физического эксперимента». Практикум также может быть рекомендован студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также магистрантам, специализирующимся в области применения оптических методов в нанотехнологиях.

Рекомендовано к изданию Ученым Советом Факультета Фотоники и оптоинформатики. Протокол Совета № 7 от 17.11.2011 г.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, © А.В. Баранов, А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова, СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Лабораторная работа № Спектральные измерения параметров люминесценции квантовых точек в инфракрасном диапазоне Лабораторная работа № Измерение времен затухания люминесценции квантовых точек PbS в ближнем ИК диапазоне Лабораторная работа № Измерение размеров наноструктур методом атомно-силовой микроскопии. ВВЕДЕНИЕ Лабораторный практикум к дисциплине «Методы и техника физического эксперимента» по магистерской программе «Оптика наноструктур» разработан с учётом специфики подготовки магистрантов по направлению «Фотоника и оптоинформатика».

Основная цель настоящего лабораторного практикума: привить студентам навыки научно исследовательской работы в области физики наноструктур и продемонстрировать широкие возможности использования методов оптической, люминесцентной и зондовой микроскопии в различных научных экспериментах при исследовании наноструктурированных материалов. Кроме того, практикум позволяет продемонстрировать широкие возможности исследования квантовых точек в научных экспериментах различного назначения.

Описания лабораторных работ содержат краткие теоретические сведения. В их основу легли экспериментальные методики и результаты ряда научно-исследовательских работ, сравнительно недавно выполнявшихся Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Первые две работы посвящены регистрации и исследованию спектров флуоресценции и времени затухания флуоресценции квантовых точек PbS в инфракрасном диапазоне.

Цель третьей работы состоит в измерении размеров квантовых точек с помощью атомно-силового микроскопа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ А.В. Баранов, А.П. Литвин, П.С. Парфенов, Е.В. Ушакова ЦЕЛИ РАБОТЫ - обрести навыки регистрации и анализа спектров люминесценции квантовых точек в ближней ИК области спектра (0,9–2,1 мкм);

- ознакомиться с основными характеристиками люминесценции квантовых точек PbS разных размеров в ближнем инфракрасном диапазоне;

- ознакомиться с оптической схемой установки для регистрации люминесценции в ближнем ИК-диапазоне спектра и принципами работы ИК-детекторов на основе InGaAs фотодиодов;

- провести измерения спектров люминесценции двух образцов растворов квантовых точек PbS разного размера и установить корреляцию между размером квантовых точек и положением полосы люминесценции.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Инфракрасное излучение (ИК излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным краем видимого света (с длиной волны = 0,74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением ( ~ 1–2 мм). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (0,74–2,5 мкм), среднюю (2,5–50 мкм) и дальнюю (50–2000 мкм).

В ближней ИК области располагаются области наименьшего поглощения ( = 1,55 мкм) и нулевой дисперсии (1,31 мкм) кварцевого оптического волокна и спектральные линии люминесценции таких важных объектов исследований, как ионов редкоземельных элементов (Er, Nd, Yb), синглетного кислорода и квантовых точек узкозонных полупроводников (таких как PbS, PbSe, PbTe и др.).

Последние представляют наибольший интерес, поскольку именно они наиболее перспективны для применения в устройствах ИК диапазона: излучателях, детекторах, элементов солнечных батарей, матрицах для визуализации ИК-изображений и т.д. [1–3].

Другая важная область применения квантовых точек (КТ) ИК диапазона – диагностика и терапия заболеваний. Излучение с длиной волны, лежащей в диапазоне 1,5–1,6 мкм, безопасно для глаз человека. В диапазоне длин волн 0,65–1,3 мкм не так значительно поглощение в воде и крови человека, поэтому использование в качестве люминесцентных меток квантовых точек ИК диапазона позволяет, например, исследовать опухолевые ткани на большей глубине за счет лучшего проникновения инфракрасных лучей в биоткани [4]. Фотостабильность, высокий квантовый выход и широкая полоса возбуждения, характерные для КТ, значительно упрощают задачу визуализации с помощью таких меток.



Также нанокристаллы этих полупроводников идеально подходят для изучения эффектов размерного квантования носителей, поскольку имеют достаточно большой радиус Бора экситона и близкие значения эффективных масс дырки и электрона. В этом случае энергетическая структура и динамика носителей в КТ в значительной степени свободна от влияния поверхностных эффектов, упрощая сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов. Это особенно актуально, поскольку на сегодняшний день различные теоретические модели и численные расчеты разных исследовательских групп дают противоречивые результаты.

Наиболее распространенными методами для изучения полупроводниковых наноструктур являются оптические методы исследования. В частности, это люминесцентная спектроскопия, которая является универсальным высокочувствительным неразрушающим методом исследования электронной подсистемы КТ [5].

Для регистрации спектров люминесценции в ближнем ИК диапазоне особую важность имеет выбор подходящего приемника излучения. Приёмники инфракрасного излучения основаны на преобразовании энергии ИК излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами. Существуют тепловые и фотоэлектрические приёмники ИК излучения. В тепловых приемниках поглощённое излучение вызывает повышение температуры термочувствительного элемента приёмника, которое и регистрируется.

Примером таких приемников являются болометры, основанные на зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры, или фотопроводники группы сернистого свинца (PbS, PbSe, PbTe). В фотоэлектрических приёмниках поглощённое излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Это обычно фотодиоды.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует свет в электрический заряд за счёт процессов в p-nпереходе. Также существуют p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится i-слой собственной проводимости (i — от «intrinsic», собственный).

Работа фотодиода основана на том, что под действием квантов излучения в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. При наличии внешнего электрического поля, включающего диод в обратном направлении, неосновные носители проходят через p-n переход, создавая обратный ток. При отсутствии внешнего электрического поля неосновные носители разделяются полем p-n перехода и, при коротком замыкании внешней цепи, создают фототок.

Фотодиоды генерируют малый ток, который пропорционален освещенности. Ток короткого замыкания фотодиода чрезвычайно линеен от освещенности — более 6–9 декад и поэтому часто используется как мера абсолютной освещенности. Параллельное сопротивление Rш обычно уменьшается в 2 раза на каждые 10 градусов роста температуры. Емкость диода C является функцией площади перехода и обратного приложенного напряжения.

Фотодиоды могут работать при нулевом смещении, т.н.

фотогальваническом включении, либо при обратном смещении, т.н.

фотопроводящем включении (рис. 3.1). Наиболее высокая линейность работы достигается при фотогальваническом включении, тогда как наиболее высокая скорость переключения реализуется в фотопроводящем включении. При обратном смещении в цепи будет протекать темновой ток даже при отсутствии освещенности. В фотогальваническом включении темновой ток отсутствует, и шум является тепловым шумом параллельного резистора (выходного сопротивления). В случае фотопроводящего включения появляется дополнительный источник дробового шума. Темновой ток в фотодиодном включении существенно зависит от температуры p-n перехода, уменьшаясь примерно на порядок каждые 10 градусов, в то время как темновой ток в фотогальваническом включении практически не зависит от температуры p-n перехода.

Рис. 3.1. Фотовольтажное и фотопроводящее включение фотодиода Наиболее простой способ преобразовать ток фотодиода в напряжение состоит в конвертировании тока с помощью преобразователя ток-напряжение. В фотогальваническом режиме нулевое напряжение на фотодиоде поддерживается потенциалом виртуальной земли операционного усилителя, а ток короткого замыкания преобразуется в напряжение. Для достижения максимальной чувствительности резистор обратной связи должен быть весьма большой величины, а входной ток операционного усилителя – весьма малой. Для получения максимального усиления желательно использовать один каскад усиления, это увеличивает отношение сигнал-шум, т.к.

уменьшение сопротивления обратной связи в 2 раза уменьшает сигнал вдвое, а шум резистора уменьшается только в 2 раз.

В фотодиодном режиме на диод подается обратное смещение от десятых до нескольких вольт, и чем больше смещение, тем быстрее он будет работать, и больше токи через него будут течь.

В спектроскопических измерениях фототок короткого замыкания начинается с единиц и десятков пА, поэтому для точного измерения токов фотодиода в диапазоне десятков пА входной ток ОУ должен быть не больше нескольких пА. Такому условию удовлетворяют операционные усилители с полевыми (FET) входами, обеспечивающие сверхнизкий уровень шума и входных токов [6]. Один из основных параметров операционного усилителя, а именно «входной ток смещения», в случае JFET или CMOS-входов, в действительности является током утечки диодов электростатической защиты входов, т.е.





«входным током утечки». Этот ток составляет менее 1 пА при температуре 25°C и меняется примерно вдвое каждые 10°C. Для обеспечения малого значение входного тока утечки обычно применяют комплекс мер по уменьшению путей утечки по плате, тогда удается добиться реальной 1-пА производительности.

В p-i-n структуре обедненная i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости (рис. 3.2). Это обеспечивает чувствительность в длинноволновой части спектра. В области до 1 мкм наиболее распространены pin-диоды на основе кремния. Для больших длин волн в ближнем ИК диапазоне применяются InGaAs pin-диоды [7].

Альтернативой могут быть и германиевые pin-диоды.

InGaAs pin-фотодиоды, применяемые в ближней ИК-области спектра в качестве детекторов, отличаются с малой емкостью, низким уровнем шума, низким темновым током и высоким быстродействием.

При охлаждении с помощью элементов Пельтье достигается очень низкий темновой ток и лучшая пороговая чувствительность. InGaAs детекторы для ближней ИК спектроскопии могут быть разделены на три типа:

• Стандартный тип — InGaAs pin-фотодиоды со спектральным диапазоном 0,9–1,7 мкм, которые обладают высоким быстродействием и низким уровнем шума из-за низкой емкости и большого внутреннего сопротивления.

• Длинноволновые InGaAs pin-фотодиоды имеют спектральный диапазон до 2,1–2,6 мкм. Однако, они обладают большим уровнем шума и большим темновым током.

• Линейки из InGaAs pin-фотодиодов, стандартных либо длинноволновых. Обычно линейки собирается в одном корпусе с предусилителями и могут оснащаться одно- или двухкаскадным термоэлектрическим холодильником.

Рис. 3.2. Схематичное изображение PIN фотодиода Из особенностей pin-фотодиодов стоит отметить достаточно большой разброс параметров от экземпляра к экземпляру, что вносит дополнительный вклад в разброс напряжения от каждого пикселя в линейках pin-фотодиодов.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Лабораторная установка построена на базе монохроматора «Acton SP-2558» с апертурой f/6,5, фокусным расстоянием 500 мм и дифракционной решеткой 150 штр/мм, который обеспечивает необходимое спектральное разрешение при достаточно высокой светосиле. Спектр люминесценции регистрируется сменным охлаждаемым до –20°C InGaAs фотодиодом, установленным за выходной щелью монохроматора. Для согласования выходной щели монохроматора с приемной площадкой фотодиода (диаметр 1 мм) применен фокусирующий объектив 210,4. После предварительного усиления сигнал фотодиода, оцифровывается интерфейсным модулем «SpectraHub» [8].

В качестве приемников используются два охлаждаемых InGaAs фотодиода фирмы Hamamatsu – стандартного (G8605-21, 0,8–1,6 мкм) и расширенного (G5852-21, 0,9–2,1 мкм) спектрального диапазона [9].

Предусилители сигналов фотодиодов реализованы на основе операционных усилителей c полевыми входами AD645, позволяющих создать трансимпедансный усилитель со сверхмалым входным током [6]. Чувствительность приемников с учетом предусилителей на длине волны, соответствующей максимуму чувствительности фотодиодов (1,6–1,8 мкм), составляет 1,2107 В/Вт, минимальный уровень детектируемой световой мощности 0,4 пВт. Спектральная чувствительность комплекса зависит от типа используемого приемника (рис. 3.3). Основные параметры лабораторной установки приведены в табл. 3.1.

G1, G0,0,0,0,0,900 1200 1500 1800 Длина волны (нм) Рис. 3.3. Относительная спектральная чувствительность комплекса при использовании InGaAs фотодиодов G5852 и G8605.

Табл. 3.1. Основные рабочие характеристики Характеристика Значение Спектральный диапазон 850–2100 нм 7 нм при ширине щели 0,5 мм Спектральное разрешение Предельное – до 0,1 нм (щель 0,01 мм) Динамический диапазон Лазерное возбуждение 532, 632 нм Светодиодное возбуждение 520, 590, 640, 840 нм Предел чувствительности 0,4 пВт Чувствительность ( отн.

ед.) Рис. 3.4. Функциональная схема комплекса: 1 — лазер He-Ne 633 нм, 2 — лазер YAG:Nd 532 нм, 3, 6 — откидные зеркала (ОЗ 1 и ОЗ 2), 4 — аттенюатор, 5 — расширитель, 7 — канал I, 8 — канал II, 9 — микроскоп, 10 — светоделитель, 11 — видеокамера, 12 — объектив, 13 — предметный столик, 14, 17 и 19 — линзы (Л1, Л2 и Л3), 15 — кювета, 16 — светодиод, 18 — призма Довэ, 20 — монохроматор, 21 — InGaAs фотодиод, 22 — предусилитель, 23 — SpectraHub, 24 — компьютер.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ В данной работе мы проведем исследование спектральных характеристик люминесценции 2-х образцов нанокристаллов PbS (квантовых точек), растворенных в тетрахлорметане.

1. Подготовка к измерениям 1. Ознакомиться с устройством комплекса для проведения спектральных ИК измерений.

2. Включить для прогрева (время не менее 15 минут) блок питания HeNe лазера «ГН-15-1 ИП» и блок охлаждение фотодиода «Б5-43».

3. Включить интерфейсный блок «SpectraHub», блок питания предусилителя «Б5-45» и блок питания монохроматора «PUP30-25H1-S».

4. На входной и выходной щелях монохроматора вращением микрометрических винтов установить ширину щелей равной 0,5 мм.

5. Запустить программу «SpectraSense» (разработчик Princeton Instruments). Ярлык запуска находится на рабочем столе и в меню «Пуск».

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.