Кіріспе

Фотолуминесценция (қысқаша PL) – фотондарды сіңіргеннен кейін кез келген заттан жарық шығару (электромагниттік сәулелену). Бұл люминесценцияның (жарық шығарудың) көптеген түрлерінің бірі және фотоэкцитация арқылы басталады (яғни, фотондар атомдағы электрондарды жоғары энергия деңгейіне көтереді), сондықтан «фото» префиксі қолданылады. Жұтылу мен шығарылу арасындағы уақыт мерзімі әртүрлі болуы мүмкін: инорганикалық жартылай өткізгіштердегі бос тасымалдаушы плазмаға қатысты шығарылым үшін қысқа фемтосекундтық диапазоннан бастап, молекулалық жүйелердегі фосфоресценция процестері үшін миллисекундтарға дейін; ал ерекше жағдайларда шығарылымның кешігуі бірнеше минутқа немесе сағаттарға созылуы мүмкін. Белгілі бір энергиядағы фотолюминесценцияны байқау, электронның осы ауысу энергиясына сәйкес келетін қозу күйінде болғанын көрсетеді. Бұл атомдар мен ұқсас жүйелерде көбінесе дұрыс болғанымен, корреляциялар және басқа күрделі құбылыстар жартылай өткізгіштер сияқты көп дене жүйелерінде фотолюминесценцияның көздері болып табылады. Бұл құбылысты зерттеу үшін жартылай өткізгіштің люминесценция теңдеулері қолданылады.

Нысандар

Фотолюминесценция процестерін әр түрлі параметрлер бойынша жіктеуге болады, мысалы, қоздырғыш фотонның энергиясы эмиссияға қатысты. Резонанстық қоздыру – белгілі бір толқын ұзындығындағы фотондардың жұтылып, сол толқын ұзындықтағы фотондардың өте жылдам қайта шығарылуын сипаттайды. Бұл көбінесе резонанстық флуоресценция деп аталады. Ерітіндіде немесе газ фазасындағы материалдар үшін бұл процесс электрондарды қамтиды, бірақ сіңіру мен эмиссия арасындағы химиялық заттың молекулалық ерекшеліктерін қамтитын маңызды ішкі энергиялық өтулер болмайды. Электрондық жолақтық құрылымы қалыптасқан кристалдық бейорганикалық жартылай өткізгіштерде екіншілік эмиссия күрделірек болуы мүмкін, себебі оқиғалар когерентті үлестерді, мысалы, резонанстық Рейли шашырауын (жетекші жарық өрісімен тұрақты фазалық қатынас сақталады, яғни жоғалтуларсыз энергетикалық серпімді процесс) және когерентсіз үлестерді (немесе энергияның бір бөлігі қосалқы жоғалту режиміне түсетін серпімсіз режимдерді) қамтуы мүмкін. Соңғылары, мысалы, экситондардың радиациялық рекомбинациясынан, қатты денелердегі Кулондық байланысқан электрон-тесік жұптарының күйлерінен туындайды. Резонанстық флуоресценция маңызды кванттық-оптикалық корреляцияларды да көрсетуі мүмкін. Заттың ішкі энергиялық өтулері жүрген кезде, сіңіруден алынған энергияны қайта эмиссиялау кезінде қосымша процестер пайда болуы мүмкін. Электрондар фотонды сіңіру арқылы резонанстық түрде энергияны алу немесе фотонды эмиссиялау арқылы энергияны жоғалту арқылы энергия күйін өзгертеді. Химия және оған қатысты салаларда флуоресценция мен фосфоресценция арасында ажырату жасалады. Флуоресценция әдетте жылдам процесс, бірақ бастапқы энергияның бір бөлігі таратылады, сондықтан қайта эмиссияланған фотонның энергиясы сіңірілген қоздыру фотонынан төмен болады. Бұл жағдайда қайта эмиссияланған фотон «қызыл жылжу» деп аталады, бұл жоғалтудан кейін оның энергиясының төмендеуіне байланысты (Жаблонски диаграммасында көрсетілгендей). Фосфоресценция үшін фотонды сіңірген электрондар жүйеаралық өтуге түседі, олар спин көптігі өзгерген күйге (термин символын қараңыз), әдетте триплеттік күйге енеді. Қозған электрон осы триплеттік күйге ауысқаннан кейін, төменгі синглеттік күйге электрондық өту (релаксация) кванттық механикалық тұрғыдан тыйым салынған, яғни ол басқа өтулерге қарағанда әлдеқайда баяу жүреді. Нәтижесінде синглеттік күйге қайта радиациялық өтудің баяу процесі пайда болады, кейде бірнеше минут немесе сағаттарға созылады. Бұл «қараңғыда жарқырау» заттарының негізі. Фотолюминесценция – GaN және InP сияқты жартылай өткізгіштердің тазалығы мен кристалдық сапасын өлшеу және жүйедегі бұзылулардың мөлшерін анықтау үшін маңызды әдіс. Уақыт бойынша ажыратылған фотолюминесценция (TRPL) – үлгіні жарық импульсімен қоздырып, содан кейін фотолюминесценцияның уақытқа қатысты ыдырауын өлшейтін әдіс. Бұл әдіс галлий арсениді (GaAs) сияқты III-V жартылай өткізгіштердің азшылық тасымалдаушыларының өмір сүру мерзімін өлшеу үшін пайдалы.

Тiкелей аралықтағы жартылай өткiзгiштердiң фотолюминесценттiк қасиеттерi

Типикалық PL экспериментінде жартылай өткізгіш, жолақтық энергиядан жоғары энергияға ие фотондарды қамтамасыз ететін жарық көзімен қоздырылады. Келіп түсетін жарық жартылай өткізгіштің Блох теңдеулерімен сипатталатын поляризацияны қозғайды. Фотондар сіңірілгеннен кейін, электрондар және тесіктер өткізгіш және валентті жолақтарда сәйкесінше шекті импульспен пайда болады. Содан кейін қоздырулар энергия мен импульсті жолақтың ең төменгі нүктесіне дейін релаксациялайды. Типикалық механизмдер – Кулондық шашырау және фонондармен өзара әрекеттесу. Соңында электрондар фотондарды шығара отырып тесіктермен бірігеді. Идеалдық, ақаулары жоқ жартылай өткізгіштер – көп дене жүйелері, онда жарық пен материяның өзара әрекеттесуінен басқа, заряд тасымалдаушыларының өзара әрекеттесуі мен кристалдық тордың тербелістері де ескерілуі керек. Жалпы, PL қасиеттері ішкі электр өрістеріне және диэлектрлік ортаға (мысалы, фотондық кристалдарда) өте сезімтал, бұл күрделіліктің қосымша деңгейін тудырады. Жартылай өткізгіштің люминесценция теңдеулері микроскоптық сипаттаманы қамтамасыз етеді, сондай-ақ Балкан (1998). Бұл талқылау үшін ойдағы модель құрылымында екі шектелген квантталған электрондық және екі тесік субдиапазоны бар, сәйкесінше e1, e2 және h1, h2. Мұндай құрылымның сызықтық сіңіру спектрі бірінші (e1h1) және екінші кванттық құдық субдиапазондарының (e2, h2) экзитондық резонанстарын, сондай-ақ сәйкес үздіксіз күйлерден және тосқауылдан сіңіруді көрсетеді.

Фотоэкцитация

Жалпы, үш түрлі қозу жағдайы ажыратылады: резонанстық, квази-резонанстық және резонанстық емес. Резонанстық қозу үшін лазердің орталық энергиясы кванттық ұңғыманың ең төменгі экситондық резонансына сәйкес келеді. Артық энергияның жоқ немесе маргіналды ғана бөлігі тасымалдаушы жүйеге жіберіледі. Мұндай жағдайларда когерентті процестер спонтанды эмиссияға маңызды үлес қосады. Поляризацияның ыдырауы экситондарды тікелей жасайды. Резонанстық қозу кезінде фотолюминесценцияны (ФЛ) анықтау қиын, өйткені қозудан – яғни, шашыраңқы жарықтан және беттік тегіссіздіктен туындаған диффуздық шашыраудан келетін үлестерді ажырату қиын. Осылайша, ұяшық және резонанстық Рейли шашырауы әрқашан когерентсіз эмиссиямен қабаттасады. Резонанстық емес қозу жағдайында құрылым белгілі бір артық энергиямен қозады. Бұл көптеген ФЛ эксперименттерінде қолданылатын әдеттегі жағдай, себебі қозу энергиясын спектрометр немесе оптикалық сүзгі арқылы ажыратуға болады. Квази-резонанстық қозу мен тосқауылдық қозуды ажырату қажет. Квази-резонанстық жағдайларда қозу энергиясы негізгі күйден жоғарырақ, бірақ тосқауылдық сіңіру шегінен төмен реттеледі, мысалы, бірінші субзонаның континуумына. Мұндай жағдайларда поляризацияның ыдырауы резонанстық қозуға қарағанда әлдеқайда жылдам, ал кванттық ұңғыма эмиссиясына когерентті үлестердің әсері маргіналды. Инъекцияланған тасымалдаушылардың артық энергиясының салдарынан тасымалдаушы жүйенің бастапқы температурасы тор температурасынан айтарлықтай жоғары болады. Соңында, бастапқыда тек электрон-тесік плазмасы пайда болады. Одан кейін экситондар қалыптасады. Тосқауылдық қозу жағдайында кванттық ұңғымадағы бастапқы тасымалдаушылардың таралуы тосқауыл мен ұңғыма арасындағы тасымалдаушылардың шашырауына күшті түрде байланысты.

Радиациялық рекомбинация

Экситациядан кейінгі сәуле шығару спектрі өте кең, бірақ әлі де ең күшті экситондық резонанстың маңайында орналасқан. Тасымалдаушы таралуының босаңсуы мен салқындауы кезінде PL шыңының ені азаяды және сәуле шығару энергиясы экситонның (мысалы, электронның) негізгі күйіне сәйкес келеді, бұл идеалды үлгілерде бұзылыстар болмаған жағдайда. PL спектрі электрондар мен тесіктердің таралуымен анықталатын квази-тұрақты күйге жақындасады. Экситация тығыздығын арттыру эмиссия спектрлерін өзгертеді. Олар төмен тығыздықта экситондық негізгі күймен доминирленеді. Тасымалдаушы тығыздығы немесе кристалдық тор температурасы артқанда жоғарырақ суббайталық ауысулардан қосымша шыңдар пайда болады, себебі бұл күйлерге көбірек заряд тасымалдаушылар жиналады. Сонымен қатар, негізгі PL шыңының ені экситацияның күшеюімен және экситациямен шақырылған дефазинг салдарынан айтарлықтай өседі, ал эмиссия шыңы Кулондық ренормализация мен фазалық толтырудың нәтижесінде энергияда шағын ауысқаны байқалады. Бұл өзгерістер кристалдық торда немесе химиялық құрамның өзгеруіне байланысты бұзылыстардың болуынан туындайды. Микроскопиялық теориялар үшін оларды қарастыру өте қиын, себебі идеалды құрылымның бұзылуы туралы толық мәліметтер жетіспейді. Сондықтан, сыртқы факторлардың PL-ге тигізетін әсері көбінесе феноменологиялық тұрғыдан қарастырылады. Эксперименттерде бұзылыстар тасымалдаушылардың локализациясына әкелуі мүмкін, соның салдарынан фотолюминесценцияның өмір сүру уақыты күрт ұзарады, себебі локализацияланған тасымалдаушылар бос тасымалдаушылар сияқты радиациялық емес рекомбинация орталықтарын оңай таба алмайды. Король Абдулла ғылым және технология университетінің (KAUST) ғалымдары InGaN/GaN p-i-n қос гетероструктурасы мен AlGaN наносымдарының температураға тәуелді фотолюминесценциясын қолдана отырып, фотоиндуцирленген энтропияны (яғни термодинамикалық бұзылуды) зерттеді. Олар фотоиндуцирленген энтропияны термодинамикалық шама ретінде анықтады, ол тасымалдаушылардың рекомбинациясы мен фотон эмиссиясы салдарынан жүйенің энергиясының пайдалы жұмысқа айналу мүмкіндігінің жоқтығын көрсетеді. Сонымен қатар, олар энтропияның өзгеруін наносымдардың белсенді аймақтарындағы фототасымалдаушылар динамикасының өзгеруімен байланыстырды, уақыт бойынша шешілген фотолюминесценция зерттеулерінің нәтижелерін пайдаланды. Олар InGaN қабаттарындағы бұзылу мөлшері температураның бөлме температурасына жақындаған сайын беттік күйлердің жылулық белсенділігіне байланысты артатынын болжады, ал AlGaN наносымдарында байқалған өсім шамалы болды, бұл кең жолақты жартылай өткізгіштегі бұзылудың төменгі деңгейіне байланысты белгісіздіктің төмендеуін көрсетеді. Фотоиндуцирленген энтропияны зерттеу үшін ғалымдар фотоэкситация мен фотолюминесценция нәтижесінде туындайтын таза энергия алмасуын ескеретін математикалық модельді әзірледі.

Температураны анықтау үшін фотолюминесцентті материалдар

Фосфор термометриясында температураны өлшеу үшін фотолюминесценция процесінің температураға байланысты өзгеруі қолданылады.

Эксперименттік әдістер

Фотолюминесценттік спектроскопия – жартылай өткізгіштер мен молекулалардың оптикалық және электрондық қасиеттерін сипаттауға кеңінен қолданылатын әдіс. Бұл техника өте жылдам, контактісіз және бұзбас. Сондықтан, оны әртүрлі өлшемдегі материалдардың (микроннан сантиметрге дейін) оптоэлектрондық қасиеттерін, күрделі үлгі дайындау қажеттілігінсіз, өндіріс процесінде зерттеу үшін қолдануға болады. Мысалы, күн элементтерінің жұтақыштарының фотолюминесценциясын өлшеу арқылы материалдың тудыра алатын максималды кернеуін болжауға болады. Химияда бұл әдіс көбінесе флуоресценциялық спектроскопия деп аталады, бірақ қолданылатын құралдар бірдей. Фотолюминесценцияның ыдырау уақытын анықтау үшін, релаксациялық процестерді уақыт бойынша шешілетін флуоресценциялық спектроскопияны қолдану арқылы зерттеуге болады. Бұл техникалар микроскопиямен біріктіріліп, фотолюминесценцияның қарқындылығын (конфокалды микроскопия) немесе уақытын (флуоресценциялық өмір сүру ұзақтығын бейнелейтін микроскопия) үлгі бетінен (мысалы, жартылай өткізгіш пластинадан немесе флуоресценттік молекулалармен белгіленген биологиялық үлгіден) картаға түсіруге мүмкіндік береді. Модуляцияланған фотолюминесценция – фотолюминесценция сигналының синусоидты стимулға жауабындағы жиілік реакциясын өлшеуге арналған ерекше әдіс. Ол интенсивтілікті калибрлеу қажеттілігінсіз, азшылық тасымалдаушының өмір сүру уақытын тікелей анықтауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс кристалды кремний пластиналарындағы интерфейс ақауларының, әртүрлі пассивтеу схемаларымен артық тасымалдаушылардың рекомбинациясына тигізетін әсерін зерттеу үшін қолданылған.