Передовые методы ИК-Фурье-спектроскопии для определения характеристик материалов и устройств в средней ИК области

Введение

ИК-Фурье-спектроскопия является мощным и широко используемым аналитическим инструментом. Однако не всем известно, что существует несколько передовых методов ИК-Фурье-спектроскопии для детальных оптоэлектронных исследований в средней ИК области (MIR). На основе выбранных примеров мы рассмотрим эти методы и опишем их применения.

Принцип ИК-Фурье-спектроскопии Основным элементом любого ИК-Фурье-спектрометра является интерферометр, измеряющий интерферограмму (автокорреляцию света) в зависимости от разности оптических путей. В современных ИК-Фурье-спектрометрах используются сложные интерферометры с оптимизированной производительностью. Однако основной принцип действия по-прежнему тот же, что и в классическом интерферометре Майкельсона (см. рис. 1), известном из опыта Майкельсона-Морли 1887 года.

• Интерферометр Майкельсона
• Подвижное зеркало – Фиксированное зеркало – Источник – Светоделитель
• Приемник
• Интерферограмма - Интенсивность

Рисунок 1: Классический интерферометр Майкельсона с одним фиксированным зеркалом и одним движущимся зеркалом (сканер) под углом 90°. 2 луча сходятся на приемнике, производя сигнал временной модуляции, который и является интерферограммой.

Основные сведения об ИК-Фурье-спектроскопии:

■ Волновое число v в качестве общей спектральной единицы: ν/[см-¹] = 10000/(длина волны/[мкм]) 

■ Спектр = преобразование Фурье интерферограммы:  S(ν) = FT (IFG(Δx))

■ Спектральное разрешение: Δν ~ 1/ΔX

■ Частоты модуляции для непрерывного движения: f ~ ν*скорость зеркала (MIR: обычно от 100 Гц до нескольких кГц) 

■ Производительность и мультиплексное преимущество: в средней и дальней ИК области ИК-Фурье-спектроскопия, как правило, превосходит дисперсионную спектроскопию

ИК-Фурье-спектроскопия фотолюминесценции

Установка может быть аналогична показанной на рис. 2, или же может быть использован более удобный промышленный модуль фотолюминесценции. В ближней ИК области непрерывное возбуждение и движение зеркала позволяют измерять ФЛ с отличным отношением сигнал-шум.

В средней ИК области тепловое фоновое излучение 300К, как правило, маскирует сигнал ФЛ. Поэтому непрерывное возбуждение и непрерывное движение зеркала часто невозможны.

Решение: Модулированное возбуждение, демодуляция с помощью синхронного усилителя и  режима шагового сканирования. Синхронный усилитель отсеивает постоянный тепловой фон и усиливает модулированный сигнал ФЛ (см. рис. 4). Модулированное возбуждение может быть достигнуто с помощью импульсного лазера или путем прерывания лазера непрерывного действия (например, прерывателем, акусто-оптическим модулятором, ячейкой Поккельса и т.д.). Частоты модуляции, как правило, находятся в диапазоне от 100 Гц до нескольких сотен кГц.

Эффективность шагового сканирования при (де-)модуляции с точки зрения удаление теплового фона показана на рис. 5.

• Синхронный усилитель – Частотный генератор – Контроллер ячейки Поккельса
• Ячейка Поккельса
• Двухканальный приемник – Образец
• Схема двухканального приемника
• Выход АС (к синх. усилителю)
• Вход DC (от синх. усилителя)
• Элемент приемника - Предусилитель

Рисунок 4: Один из возможных вариантов установки для ИК-Фурье-спектроскопии фотолюминесценции в средней ИК в режиме шагового сканирования. Возбуждающий лазер в модуле ФЛ модулируется ячейкой Поккельса; сигнал ФЛ демодулируется синхронным усилителем.

• Волновое число, см-¹
• Интенсивность ФЛ (произ. ед.)
• Температурный фон
• (а) Непрерывное сканирование (НС)
• (b) НС, увеличение
• (с) Шаговое сканирование
• (d) Шаговое сканирование
• Энергия, эВ

Рисунок 5 (Shao et al. Review of Scientific Instruments 77, 063104 (2006): При непрерывном сканировании ФЛ HgCdTe в средней ИК области едва ли поддается измерению из-за теплового фона. Шаговое сканирование устраняет тепловой фона и позволяет получать спектры ФЛ со значительно более благоприятным отношением сигнал-шум, даже при комнатной температуре.

ИК-Фурье-спектроскопия спектров лазерного излучения

Непрерывное волновое излучение → непрерывное движение зеркала Подключив лазерный луч к порту излучения спектрометра (см. рис. 2), спектр можно регистрировать непосредственно в режиме непрерывного сканирования. Как правило, из-за высокой интенсивности излучения фоновое тепловое излучение 300К не представляет никаких затруднений. В зависимости от типа интерферометра можно добиться спектрального разрешения вплоть до 0.01 нм (несколько мкэВ) и даже меньше (несколько нэВ) и полностью использовать модовую структуру спектра. 

• Электроника
• Интерферометр
• Излучение из внешнего источника
• Отсек для приемника

Рисунок 2: Экспериментальная установка для ИК-Фурье лазерной (или фотолюминисцентной спектроскопии.

Импульсное излучение → Режим шагового сканирования

При непрерывном движении зеркала частота повторения лазера, как правило, совпадает с частотами интерферограммы, что приводит к сильным артефактам на целых кратных частотах. Этого можно избежать, если использовать шаговый режим сканирования: зеркало останавливается в каждой точке интерферограммы, где измеряется, по меньшей мере, один переходный процесс. Шаговое сканирование позволяет получить спектр с временным разрешением вплоть до нескольких нс (см. пример на рис. 3). Исключение: если частота повтора лазера значительно выше частот интерферограммы, интегрированный по времени сигнал может быть измерен с помощью непрерывного движения зеркала.

• Y [один канал]
• X [волновое число см-1]
• Z [мкс]

Рисунок 3. Импульсное инфракрасное лазерное излучение, измеренное в режиме шагового сканирования. Спектральное разрешение: 1 см-1 (0.25 ни), разрешение по времени: 10 нс.

Фотомодулированная отражательная ИК-Фурье-спектроскопия

Изменение отражательной способности ΔR/R в связи с модулированным лазерным возбуждением дает информацию о зонной структуре → Межзонных переходах, близких к критическим точкам. В материалах матрицы ΔR/R пропорционально 3-й производной диэлектрической функции, но также применимо к гетероструктурам (переходы основных и возбужденных состояний).

Метод измерения: модулированное возбуждение и одновременная двухканальная регистрация (ΔR и R) в режиме шагового сканирования. Более сложная схема может даже поддерживать переход к фотомодулированной пропускаемости или модулированной фотолюминесценции в средней ИК области (см. рис. 6).

• Сканер – Камера спектрометра
• Светоделитель
• Галоген – Глобар
• Приемник 1 – Приемник 2
• Криостат
• Образец
• Лазер – Модулятор – Синх. усилитель – Компьютер – Пост. компонент коэффициента отражения

Рисунок 6 (M. Motyka et al., Appl.Phys.Express 2 (2009): Схема установки для фотомодулированной спектроскопии отражения. С помощью автоматизированных зеркал систему можно переключать в режим фотомодулированной пропускаемости или в режим фотолюминесценции.

Преимущества:

■ уже при комнатной температуре фотомодулированная спектроскопия отражения может дать разрешение по энергии, сравнимое с фотолюминесцентной спектроскопией 

■ доступ к зонной структуре полупроводников с узкой запрещенной зоной гетероструктур 

■ отличное отношение сигнала к шуму (см. рис. 7) 

• Волновое число, см-1
• Интенсивность (произ. ед.)
• Энергия, эВ

Рисунок 7 (Shao et al., Appl.Phys.Lett. 95 (2009): Фотомодулированная отражательная спектроскопия HgCdTe, в том числе несколько переходов в критических точках. Сравнение с ФЛ указывает на большую информативность фотомодулированной отражательной спектроскопии.