Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

High Resolution фононами квазирезонанса флуоресцентной спектроскопии

Published: June 28, 2016 doi: 10.3791/53719
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Natural Sciences, University of California, Merced

Abstract

оптические методы спектроскопии высокого разрешения требуют с точки зрения либо технологии, оборудования, сложности, времени или их комбинации. Здесь показано, метод оптической спектроскопии, который способен решать спектральные особенности за что спин тонкой структуры и однородной ширины линии одиночных квантовых точек (КТ), используя стандартный, простой в использовании настройки спектрометра. Этот метод включает в себя как лазер и фотолюминесценции спектроскопии, сочетая преимущества лазерной линии ширины ограниченного разрешения с обнаружением фотолюминесценции многоканальным. Такая схема позволяет значительно улучшить разрешение в течение этого общего одноступенчатой ​​спектрометра. Метод использует фононы для оказания помощи в измерении фотолюминесценции одной квантовой точки после резонансного возбуждения основного состояния перехода. Разность энергий фононная позволяет одним отделить и отфильтровать лазерный свет захватывающий квантовую точку. Преимущественный Feратура этого метода является его прямой интеграции в стандартных спектроскопических установках, которые доступны для большинства исследователей.

Introduction

Высокое разрешение является ключом к разгадке новых знаний. С этим знанием, новые технологии могут быть разработаны таким образом, как лучше датчики, более точных инструментов производства, а также более эффективных вычислительных устройств. Генерация этого ключа, однако, часто приходит в высокой стоимости ресурсов, времени или обоих. Эта проблема является вездесущим во всех масштабах от атомной физики разрешения поднимаемые Вырождения электронных спинов в астрономии , где небольшой спектральный сдвиг может привести к обнаружению планет рядом с далеких звезд. 1,2,3

Основное внимание в этой работе делается на использовании стандартной настройки спектрометра и показывая, как он может разрешить спектральные характеристики ниже предела разрешения, особенно в отношении области полупроводниковой оптики. Пример , приведенный в том , что анизотропного электронно-дырочных (а) обменное расщепление в InAs / GaAs квантовых точек (КТ), которая находится на порядка нескольких мкэВ. 4 Предел разрешения спектрометра Cбыть преодолен путем комбинирования стандартных методик PL и лазерной спектроскопии. Этот метод квази-резонансной флуоресценции имеет дополнительное преимущество достижения лазерной ограниченное разрешение, используя банальный одноступенчатый спектрометр.

Стандартная система оптической спектроскопии для одиночной QD PL спектроскопии состоит из одноступенчатой ​​0.3-0.75 м монохроматора и прибор с зарядовой связью (CCD) детектор вместе с лазерным источником возбуждения и оптики. Такая система в лучшем случае способна решить 50 мкэВ в ближней инфракрасной области спектра около 950 нм. Даже с использованием статистических и деконволюции методов, таких , один установ монохроматор не способна решить менее 20 мкэВ в измерениях PL. 5 Это разрешение также может быть улучшено с помощью тройного спектрометра в режиме тройного аддитивным, где спектр последовательно диспергируют всеми тремя решетками. Тройной спектрометр имеет преимущество более высокого разрешения, способна решитьоколо 10 мкэВ. В альтернативной конфигурации, тройной вычитательном режиме, первые две решетки ведут себя как полосовой фильтр, давая дополнительную возможность быть в состоянии отделить возбуждение и обнаружение менее 0,5 мэВ. Недостатком тройного спектрометра является то, что она является дорогостоящей системы.

Перед тем как представить метод интерес, мы кратко рассмотрим другие экспериментальные подходы, которые, с добавлением сложности, достичь лучшего спектрального разрешения и способны разрешить тонкую структуру отдельных квантовых точек. Элементы этих методов имеют отношение к представленному способу. Одним из таких способов является добавление интерферометр Фабри-Перо (FPI) в пути обнаружения одной установки спектрометра. 6 С помощью этого метода разрешение установлено на утонченность в ФПИ. Таким образом, разрешение спектрометра улучшается до 1 мкэВ, за счет дополнительной сложности и низкой интенсивности сигнала. 7 Метод интерферометр также изменяет общую Operatiна спектрометра с ПЗС-камерой, эффективно становится один детектор точки, и настройка с помощью различных энергий достигается путем регулировки самого FPI полости.

Резонансная флуоресценция (РФ) спектроскопии, другой метод, где один оптический переход является одновременно возбужден и мониторинг также предлагает обещание спектроскопии высокого разрешения. Спектральное разрешение ограничивается только лазером ширины линии и сохраняет ПЗС в качестве детектора многоканальной, где не только один датчик обнаружения сигнала, но ряд ПЗС пикселей. Это обнаружение многоканальные выгодно с точки зрения усреднения сигнала. Проблема в РФ спектроскопии разделения сигнала ФЛ от большего фоне рассеянного лазерного излучения, особенно при измерении на одном уровне QD. Ряд методов могут быть использованы , чтобы понизить отношение сигнала к рассеянного лазерного света, которые включают либо поляризации 8, 9 или пространственное временное разделение 10возбуждения и обнаружения. Первый заключается в использовании высоких поляризаторы экстинкции для подавления рассеянного света, но этот метод имеет неблагоприятный исход потери информации поляризации от PL. 8 Другой возможный способ получения резонансной флуоресценции является для конструирования полупроводниковых систем, которые соединены с оптических резонаторов , где возбуждения и обнаружения пути пространственно разделены. Это устраняет проблему необходимости разрешения сигнала ФЛ от большого лазерного фона. Тем не менее, этот способ ограничен изготовления сложной образца , который в общем ресурсоемким. 9

Другой класс методов, которые также способны решить мельчайшие различия энергии в том, что чисто лазерной спектроскопии, такой как дифференциальной передачи, которая имеет преимущество достижения лазерной ограниченного разрешения с полной информацией поляризации. Этот метод, как правило, требует синхронного детектирования, чтобы наблюдать изменения в незначительный трансСигнал миссии по сравнению с большим лазерного фона. 11 В последнее время, успехи в нанофабрикации привели к подталкивание фракции лазерного света, взаимодействующего с QD (ов) до значений , вплоть до 20%, либо с использованием индекса соответствием твердого вещества погружные линзы или вложение точки в фотоннокристаллических волноводов. 12

Даже если эти методы имеют способность достижения высокое разрешение по энергии, они приходят по стоимости дорогостоящего оборудования, сложного изготовления образца и потере информации. Метод в этой работе, сочетает в себе элементы из этих трех методов без увеличения сложности в изготовлении приборов или образца для обычной установки PL.

Недавние исследования показали , что с тройной системой спектрометра в вычитательном режиме, можно визуализировать синглет-триплетного тонкой структуры в переходной спектра двухфотонного молекулы квантовых точек (QDM). 13 привлеченного энергетическое расщепление порядкаот нескольких до десятков мкэВ были решены с помощью тройного отнимающий режима, что позволило возбудить переходы резонансно и обнаружить в течение менее чем мэВ. Спектральная информация извлекается путем мониторинга ниже перехода с использованием акустических фононов и других нижележащих экситонных переходов. Этот метод также может быть применен для решения анизотропную ль обменное расщепление и даже пожизненную ограниченной ширины линии экситонного перехода 8 мкэВ и 4 мкэВ, соответственно , как показано на рисунке 1. Аналогично этому результату, в этой статье основное внимание будет уделено простой Настройка спектрометр, который будет включать в себя многие из преимуществ, которые обладают другими методами с высокой разрешающей способностью. Кроме того ПЗС будет оставаться в качестве детектора многоканальной. Экспериментальная установка также может быть достаточно недорогой по сравнению с другими методами спектроскопии высокого разрешения и имеет дополнительное преимущество быть легко модифицирована для достижения одиночных точечных измерений корреляции. В отличие от результата USINг акустические фононы и тройной спектрометр, лежащий в основе ключ, чтобы использовать LO-фононных спутника, связанного с полупроводниками и связанных с ними сплавов, которые составляют полупроводниковые образцы. Разделение энергии между LO-фононных спутником и БФЛ (БФЛ) составляет порядка десятков мэВ для таких образцов, что позволяет использовать одноступенчатый спектрометра. 14 Такое разделение энергии позволяет использовать предлагаемый квази метод -резонанса спектроскопии резонансно вождения перехода и мониторинга ниже возбуждения энергией, равной одной LO фонона. Эта методика аналогична возбуждения ФЛ , где возбуждает в возбужденное перехода и контролирует основное состояние перехода. 15 Разделение между переходом возбуждается и что из LO-фононных спутника позволяет использование проходных фильтров края для подавления упруго рассеянный свет. Этот метод использования фононную спутника позволяет Спектральная ширина линии ограниченного разрешения, Так как резонансно захватывающий переход, как правило, единственный раз, когда излучение LO-фонона спутник становится видимым.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: Методика описана является специфическим для конкретного программного обеспечения, хотя возможны и другие программные пакеты могут быть использованы вместо.

1. Подготовка образцов и Cool Down

  1. Изготовить образец.
    1. Grow образец, используя метод роста Странского-Крастанова с помощью молекулярно - лучевой эпитаксии создания двух вертикально уложенных самоорганизующихся InAs / GaAs квантовых точек, которые разделены на 4 нм туннельного барьера , как описано выше. 16 Вставить квантовых точек в структуре эффект электрического поля (то есть диод Шоттки) , что позволяет для электрического поля , которое должно применяться к QDMs. 17
      Примечание: Использование QDMs не является обязательным требованием для метода. Кроме того, полупроводники InAs / GaAs не нужны, техника будет работать для QDMs или квантовых точек из любой комбинации полупроводника.
    2. Изготовить образцы так, что отдельные квантовые точки могут быть оптически решены. Это можно сделать, либо добавив маску диафрагмы в верхней части образца или мпринимая к образца низкой плотности с 10 8 / КТ см 2 или меньше в зависимости от размера фокального пятна. 18
  2. Установить образец в заголовке чипа.
    1. Нанесите сплав, состоящий из 50% висмута, 26,7% свинца, 13,3% олова и 10% кадмия в заголовке керамического чипа. Нагреть чип, используя горячую плиту, пока сплав не разжижает. Поместите нижнюю часть образца на сжиженном сплава прикрепив ее к заголовку чипа.
      Примечание: В нижней части образца является одним из электродов диода Шоттки и точкой припоя заголовка чипа соединен с штифтом. Другой альтернативный для крепления образца является проводящей серебряной эпоксидной.
  3. Придерживайтесь 40 G золотой проволоки из точки (верхний угол) образца к булавкой на чипе.
    1. Поместите капельку серебряной эпоксидной смолы на верхнем углу образца и одной капли на одной из контактных колодок на чипе.
    2. Осторожно положите золотую проволоку в двух капель.
      Примечание: Верхняя часть тон образец другой электрод диода Шоттки, который позволяет для приложения электрического поля.
  4. Установите чип и образец в криостат и убедитесь, что образец имеет хороший тепловой контакт с держателем образца меди.
    1. Применение индий фольги между чипом и хладопроводе криостата.
    2. Давление монтажа чип хладопроводу. Используйте два винта с шайбами ​​и затянуть, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт с медной хладопроводе криостата.
  5. Приложить провода от штырей микросхем, которые подключены к обоим верхним и нижним электродами на образце. Выполнить эти провода через криостат к измерителю источника.
    Примечание: Счетчик источник применяет смещения к электродам образца, обнажая КТ на внешнее электрическое поле.
  6. Эвакуировать и принести криостата и камеру для образца в вакууме. Запустите турбонасос, эвакуируют около 10 -6 мм рт.ст. в рамках подготовки к остывания от СэмуPLE.
    Примечание: Охлаждение и регулирование температуры в течение эксперимента осуществляется с криостата, который состоит из замкнутого цикла холодильник и примыкающая микроскопии камеры для образца.
  7. Запустить компрессор криостата. Дайте криостат не для охлаждения системы до достижения желаемой температуры.
    Примечание: Для получения представленных результатов температура была приблизительно 18 K. После того, как образец охлаждают, установка готова к установке оптики, что позволит устанавливать устройства для оптического измерения должны быть приняты.

Настройка 2. Оптика

Примечание: Для всех процедур настройки, запустите лазер, измеритель источника, спектрометр и CCD либо с помощью программного обеспечения, предоставляемого изготовителем или другие пользовательские программы.

  1. Для сбора PL, поместить большое рабочее расстояние 50X объектив микроскопа и коллимации линзы в соответствии с линзой, которая фокусирует сигнал PL на спектрометре. Сбор спектра через 0,75 ммonochromator где сигнал диспергируют с помощью 1,100 мм -1 решетки и детектируют , используя жидкий азот , охлажденный 1340 х 100 пикселей ПЗС - камеры.
  2. Используя источник белого света, осветить образец.
    1. Фокус изображения образца через внешнюю камеру и спектрометр, должным образом совместив все оптики на стороне обнаружения (т.е. коллимации и фокусировки объектива) и при нулевой длине волны получить чистое сфокусированное изображение образца на спектрометре CCD.
      Примечание: Это полезно иметь другую внешнюю камеру обработки изображений, чтобы помочь с выравниванием и получить четкое изображение образца.
  3. После того, как сторона обнаружения настроена, фокусирует лазерный на образец. Фокус пятна луча до наименьшего возможного размера на образце с помощью линзы. Используйте перестраиваемый диодный лазер с диапазоном возбуждения, который содержит энергии основного состояния перехода. Установите лазерному лучу на образец под косым углом. Преимущество наклонного падения являетсячто она помогает избавиться от значительной части рассеянного лазерного излучения.
  4. Возбудите образца при температуре более высокой нерезонансного энергии. Оптимально, сделать это захватывающее при энергии ниже смачивающего слоя. Для InAs / GaAs QDMs в данном исследовании, это соответствует 75 мэВ или более над землей переходов между состояниями.
  5. Запустите программу захвата спектра в режиме фокусировки. Сканирование образца поперек лазерного пятна с использованием перевода XY этап, который прикреплен к корпусу криостата микроскопии образца. Делайте это до тех пор, пока спектрометр CCD захватывает дискретные линии основного состояния переходов. Сосредоточьте обнаружения на одном из QDMs.
    Примечание: После того, как QDM найден, оптическая установка завершена. Для образцов, используемых основного состояния энергии составляют около 1300 мэВ.
  6. Генерация карты смещения.
    1. Нанести потенциал с помощью индикатора источника (этап 1.5), соединенной с электродами на образце; это относится смещение на электродах, в свою очередь, генерирующий электрическое поле к Qdms.
      Примечание: Диапазон смещения, приложенное к образцу 0-2 V по всей структуре диода Шоттки. Это когда устройство находится в обратном смещении, а электрическое поле ограничивает количество зарядов в QDM позволяя для отдельных состояний заряда, чтобы быть видимыми.
    2. Возьмите индивидуальных спектров при различных увеличивающихся значений напряжения, в зависимости от требуемого разрешения это обычно колеблется от сотых до тысячных вольта. Объединить эти отдельные спектры вместе с помощью пользовательской программы (например, LabView).
      Примечание: Программа может быть легко закодирован с использованием широкого спектра различных программ, чтобы объединить векторы-столбцы отдельных спектров в матрицу, в представленном эксперименте это был добавлен в сшить вместе данные в режиме реального времени.
      1. Нажмите кнопку Выполнить, чтобы взять карту смещения. Это происходит спектры при заданном смещении и сделать его вектор-столбец, а затем добавляет каждый измененное спектры смещения в качестве другого столбца.
        Примечание: При этом генерируется Матри данныхх, где значения интенсивности соответствуют интенсивности ФЛ, строки представляет энергию / длину волны, а столбцы соответствуют напряжению. Карта смещения должна быть видимой, как он был запущен, тем самым позволяя живую обратную связь по качеству данных.
        Примечание: Карта смещения помогает идентифицировать различные конфигурации заряда и дает необходимую информацию для завершения установки обоих возбуждения и путей обнаружения.
  7. Определить, что переход будет возбуждаться. Обратите внимание на энергию перехода и диапазон смещения интереса.
    1. На этом этапе определяют, как лазерное возбуждение будет настроен через переход. Есть три различных варианта, чтобы получить лазер для возбуждения в основное состояние перехода:
      1. Настройтесь энергия перехода от температуры. 18
      2. Используйте сдвиг Штарка перехода достигнуть резонанса с лазерной энергии. 19
        Примечание: Приятная особенность этих двух методов, упомянутых выше Is, что перестраиваемый лазерный источник не нужен, так как QDM переходы настраиваются с помощью лазерной энергии фиксированной.
      3. В качестве альтернативы, использовать перестраиваемый лазерный источник, отступая лазера энергии через переход. Сигнал обнаружения будет присутствовать, когда лазер находится в резонансе с переходом, это дает при измерении его лазерный ограниченное спектральное разрешение. Это будет в центре внимания для остальной части протокола.
  8. С переходом определены и установить экспериментальные параметры, выберите оба возбуждения и детектирования энергии для измерения.
    1. Выберите энергию возбуждения, что и перехода. Выберите обнаружение относительно энергии Возбужденный переходном этапе минус энергия продольной оптической (LO) фонона, связанный с полупроводниковым сплава. Используя эти значения, выберите соответствующие фильтры края верхних частот для измерения; они должны иметь отсечек в между энергиями возбуждения и обнаружения.
      Примечание: Для experimРезультаты представлены СИХИЧЕСКОЕ, ведомая переход был нейтральный основное состояние экситона показано на рисунке 3, наблюдается при 1,301.7 мэВ и -1 LO излучение фононов расположена на 1,266 мэВ, что соответствует 952.5 нм и 979,3 нм соответственно. Поэтому мы используем 960 нм фильтр короткий проход для возбуждения и фильтра длиной пройти 960 нм для обнаружения. Интерференционные пороговым фильтром идеально подходят для этой цели, так как они могут быть настроены путем регулировки угла.
  9. Установите лазер для возбуждения при энергии перехода интерес, что делается просто путем ввода требуемого значения длины волны лазерного излучения в соответствующее поле ввода на передней панели программного обеспечения управления лазером.
  10. Установите центральную длину волны до заданного значения для мониторинга -1 LO излучение фотонов, введя требуемое значение центральной длины волны в соответствующее поле ввода на передней панели управляющего программного обеспечения спектрометра.
    Примечание: -1 LO излучение фотонов для InAs / GaAs составляет примерноoximately 36 мэВ ниже экситонного перехода, который будет возбужден.
  11. С помощью программного обеспечения камеры, начинают сбор с ПЗС-матрицы путем запуска программного обеспечения захвата спектра в непрерывном режиме, нажав на кнопку режима фокусировки. Сигнал должен быть виден или по-прежнему могут быть скрыты под действием лазерного рассеяния.
  12. Максимизация сигнал. ШАГ КРИТИЧЕСКОЕ: Tune возбуждение короткий фильтр, слегка регулировки угла так, что он имеет правильную длину волны отсечки.
    Примечание: Оптимальный угол устанавливается путем контроля сигнала во время регулировки угла наклона короткого фильтра верхних частот. Изменяя угол фильтра это изменяет длину волны отсечки. Ключ заключается в том, чтобы убедиться, что так много лазерного света, насколько это возможно подавляется из коллекции.

Установка для измерения 3. квазирезонанса

  1. Установка параметров эксперимента на компьютере управления с использованием главного экрана заказного программного обеспечения в. Для этого запустите программу сбора и нажмите йе Шаг Поляризация, Temp, или вкладку WL. Это устанавливает все экспериментальные значения и один раз бежать, собирает данные с помощью различных параметров.
    Примечание: Для получения данных нашего эксперимента, принявший все элементы управления компьютером были запрограммированы на заказ. Ключ должен иметь программное обеспечение или программы в состоянии установить центральную длину волны спектрометра, управления CCD и источника метр, и шаг за шагом лазерной энергии через переход, собирая ряд спектров при различных смещениях.
    1. Ввод установленного диапазона лазерной энергии, что лазер будет просканировать: от примерно 50 мкэВ над нейтральной экситонной энергии перехода 1,301.7 мэВ, 50 мкэВ ниже. Установить начальную длину волны начать сканирование с помощью "(нм) Желаемая WL" поле. Установите конечный диапазон лазера для сканирования по ( "End Motor Unit").
    2. Установите диапазон смещения, что счетчик источника будет сканировать через нажав на вкладке "Настройки напряжения". Установить начальную смещения Вэлуе ( "Напряжение Start (V)"), конечное значение смещения "Напряжение End (V)" и смещение размер шага "Шаг напряжения (V)". При этом диапазон смещения отсканированы был от 1,68 до 1,82 В.
    3. Ввод времени интегрирования выбрать, нажав на вкладке "Настройки камеры". Установите время интегрирования для ПЗС-матрицы под "Exposure (ы)" (Обратитесь к шагу 3.3). Выберите разумное время интегрирования CCD. Эксперимент со временем интегрирования, чтобы получить хороший сигнал. Чем больше время интегрирования , тем лучше усреднения сигнал , который может быть получен. 20
      Примечание: Интеграционные раз использовали для эксперимента были 10 сек. Но, времена интеграции могут быть столь же низким, как 0,5 сек, в зависимости от силы сигнала ФЛ. Иногда это даже не нужно видеть сигнал в отдельных сканов, но при сшивание спектров вместе суммирование данных плюс способность глаза интерполировать покажет переходы в карте возбуждения фотолюминесценции (PLE).

    4. Сбор данных

    1. После того, как экспериментальные параметры устанавливаются начать эксперимент. Начало коллекции, нажав на кнопку запуска.
      Примечание: В каждой лазерной энергии программное обеспечение меняется смещение, принимая спектр и фоновый спектр. Это делается для каждого шага смещения. Тогда энергия лазера изменяется, и процесс продолжается до тех пор весь диапазон выбран не будет завершена.
    2. Пост-процесс данные.
      1. Возьмите дополнительные фоновые сканирования, которые принимаются в конце каждой карты смещения и вычесть среднее значение из каждого из столбцов смещения. Используйте программу вычитание фона, или написать программу, которая принимает фоновые столбцы, средние значения их вместе и вычесть усредненное фона спектров из каждого столбца смещения в матрице данных. Примечание: См Дополнительный файл кода для программы, используемой в нашей лаборатории.
        Примечание: Это устраняет другие ложные сигналы, вызванные любым оставшимся рассеянного лазерного излучения, сильно имдоказав карту смещения.
    3. Анализ данных.
      1. Например, чтобы извлечь характерные параметры спектральной линии используют математическую фитинга программное обеспечение для запуска лоренцианом установки на каждом смещения среза карты PL. 21 После того , как процедура подгонки была завершена вся информация будет в коэффициентах фитинга таких как максимальной интенсивности, спектрального местоположения и FWHM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Результаты, представленные на рисунках показаны возможности высокого разрешения с использованием фононы для оказания помощи в измерении PL. Схема (рисунок 2) показывает , что, за исключением Кромка фильтрами на обоих возбуждения и обнаружения, экспериментальная установка остается стандартной установки спектроскопии, с необязательным добавлением контроля поляризации. Сравнение с одного и тройного спектрометра (рис. 3) изображает значительное улучшение метода фононами в свете резолюции. Низотропное да расщепление четко отображаются позволяет для точных измерений расщепления (рисунок 4). Метод также позволяет легко сделать прижизненные ограниченные измерения ширины линии квантовых точек переходов (рисунок 5). Монтаж пиков с лоренцев- функций завершает анализ данных; экстраполируя от припадков, можно выделить как расщепление и полноеширина полувысоте. Кроме того, эта квази-резонансная методика может быть объединена с тройным спектрометром в тройном вычитательном режиме (рисунок 1) для мониторинга переходов в пределах 0,5 мэВ.

Рисунок 1
Рисунок 1. акустико-фононами измерения. Возможности метода спектроскопии квазирезонанса. (А) пиковая интенсивность основного состояния нейтрального экситона в QDM , как показано на PL. Красная линия указывает на квази-резонансного возбуждения. (Б) Л в хвосте экситонного перехода , как переход настроен в резонанс с лазером. С помощью тройного спектрометра в тройном субтрактивном режиме, возбуждение и обнаружение разделены менее чем на 1 мэВ. (C) Подведя квазирезонансных ФЛ (В), изображающие разрешение особенностей анизотропного ль обмена splitti нг и время жизни ограниченной ширины линии перехода. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Экспериментальная установка Схема. Схематическое изображение простой установки спектрометра , который используется для LO-фононами измерений. Указаны перестраиваемый диодный лазер, как долго частот (LP) и короткого прохода (SP) фильтры, используемые для настройки области детектирования, объектива микроскопа (MO), спектрометр, и охлаждаемый жидким азотом CCD. Пунктирные коробки на обоих возбуждения и обнаружения представляют собой необязательные компоненты переменной замедлителя (VR) и поляризатора (POL), необходимые для измерения поляризации.апк "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. спектральное разрешение Сравнение трех PL Методы , основанные Пример достижимое разрешение с использованием различных методов. в А и В, спектрометр решетки показателя преломления и ширины пикселя ПЗС ограничивают разрешение. (A) Нейтральные переход экситон , как разрешается одним спектрометром с нерезонансной возбуждения около 918 нм. Спектральное разрешение составляет около 26 мкэВ на пиксель и слишком велик, чтобы быть в состоянии разобрать анизотропную ль обменное расщепление. (В) той же спектральной области , как и в (А) с нерезонансного возбуждения, но со спектрометром , установленного в режиме тройного присадок, где разрешение составляет 10 мкэВ. (C) Нейтральные переход экситон , как разрешаются с помощью фононов спутник Iп этот метод спектроскопии квазирезонансных фононами. Два пика хорошо разрешаются и подходят двойной лоренцевом функции, что дает анизотропную ль обменное расщепление 23,3 ± 0,1 мкэВ. Извлеченные значения FWHM для низких и высоких пиков энергии являются 7,3 ± 0,1 мкэВ и 9,6 ± 0,4 мкэВ, соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. PL Карта из QDM и связанного с фононами измерения. (A) Регулярное разрешение смещения карта QDM при нерезонансном возбуждении. На карте смещения показывает излучение от нейтрального прямого (X0) и косвенное (ix0) экситон, а также положительную Trion (X +). Кроме того, смещение, при котором лазерный сканируется через этообозначается красным квадратом на уровне около 1,1 В. (В) с высоким разрешением на PL -1 фонона спутника ниже возбуждения через прямой нейтральной экситона. Энергия перехода настраивался через лазерной энергии фиксированной части 951.657 нм (1,302.824 мэВ), наступив температуру. -1 Фононов спутника видно, что около 36 мэВ ниже нулевых фононных линий. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Уклон Карта Anisotropic ль Расщепление. Bias карта анизотропного обменного расщепления а, с центром в 1,302.28 мэВ. Карта смещения была сделана приращением напряжения, подаваемого с шагом 2 мВ путем при каждой лазерной энергии и активизации энергии лазера в 37 раз по всему диапазону энергий, примерно меняется около 1,7 &# 181 эВ в каждом шаге. Среднем обменной энергии ЕН 25.4 мкэВ со стандартным отклонением 0,8 мкэВ над этим смещения области. Появится установка Штарка сдвига. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы признать Аллана Bracker и Даниэль Gammon в Научно-исследовательской лаборатории военно-морского за предоставление образцов исследуемого. Эта работа была поддержана (частично) угрозы обороны Агентства по уменьшению, Основные премии исследований # HDTRA1-15-1-0011, Калифорнийский университет-Мерсед.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Tunable Diode Laser DL pro Toptica Photonics DL Pro
Closed Cycle Cryogen Free Refrigerator System for Microscopy Cryo Industries of America Inc. Cryocool G2
Sourcemeter Keithley  2611a
50X Mitutoyo Plan Apo NIR Infinity-Corrected Objective Mitutoyo America Corporation 378-825-5
Turbo pump Pfeiffer Vacuum HiPace 80
NIR coated Mirrors  Thor labs BB1-E03
Polarizers  Thorlabs LPNIR050-MP
200 mm AR coated Achromatic lens  Thorlabs AC254-200-B-ML
100 mm AR coated Achromatic lens  Thorlabs AC254-100-B-ML
960 Long pass filter Thorlabs 960aelp
960 Short pass filter Thorlabs 960aesp
Liquid Crystal Variable Retarder Meadowlark Optics LVR-100
0.75 m Spectrometer Acton SpectraPro Princeton Instruments Trivista
Liquid Nitrogen Cooled Camera  Princeton Instruments 7508-0002
External Camera Watec Wat-902H Ultimate Optional
Ostoalloy Lake Shore Cryotronics Ostalloy 158
Gold wire (40 gauge) Surepure Chemetals Au-Wire-03-02
Silver Epoxy A.I. Technology Prima-Solder EG8020
Program Software  National Instruments  LabView

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Germanis, S., et al. Piezoelectric InAs/GaAs quantum dots with reduced fine-structure splitting for the generation of entangled photons. Phys. Rev. B. 86, 1-4 (2012).
  2. Valenti, J. A., Fischer, D. A. Spectroscopic Properties of Cool Stars (SPOCS). I. 1040 F, G, and K Dwarfs from Keck, Lick, and AAT Planet Search Programs. ApJ. 159, 141-166 (2005).
  3. Oetiker, B., et al. Searching for Companions to Late Type M Stars. .Astro. Soc. Pac. Conf. Ser. 212, (2000).
  4. Seguin, R., Rodt, S., Schliwa, A., Potschke, K., Pohl, U. W., Bimberg, D. Size-dependence of anisotropic exchange interaction in InAs/GaAs quantum dots. Phys. Status Solidi B. 243 (15), 3937-3941 (2006).
  5. Belhadj, T., et al. Controlling the Polarization Eigenstate of a Quantum Dot Exciton with Light. Phys. Rev. Lett. 103 (1-4), (2009).
  6. Ulrich, S. M., et al. Control of single quantum dot emission characteristics and fine structure by lateral electric fields. Phys. Status Solidi B. 246 (2), 302-306 (2009).
  7. Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467, 297-300 (2010).
  8. Poem, E., et al. Polarization sensitive spectroscopy of charged quantum dots. Phys. Rev. B. 76, (2007).
  9. Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nature Phys. 5, 203-207 (2009).
  10. Scheibner, M., Bacher, G., Forchel, A., Passow, T., Hommel, D. Spin Dynamics in CdSe/ZnSe Quantum Dots: Resonant vesus Nonresonant Excitation. J. Supercond. Nov. Magn. 16 (2), 395-398 (2003).
  11. Faelt, S., Atature, M., Tureci, H. E., Zhao, Y., Badolato, A., Imamoglu, A. Strong electron-hole exchange in coherently coupled quantum dots. Phys. Rev. Lett. 100, 1-4 (2008).
  12. Vamivakas, A. N., et al. Strong Extinction of a Far-Field Laser Beam by a Single Quantum Dot. Nano Letters. 7 (9), 2892-2896 (2007).
  13. Scheibner, M., Economou, S., Ponomarev, I. V., Jennings, C., Bracker, A., Gammon, D. Two-Photon Absorption by a Quantum Dot Pair. Phys. Rev. B. 92, (2015).
  14. Palik, E. D. Handbook of Optical Constants of Solids. Vols. I and II. , Academic Press. New York. (1985).
  15. Kerfoot, M. L., et al. Optophononics with Coupled Quantum Dots. Nat. Commun. 5, 1-6 (2013).
  16. Scheibner, M., Bracker, A. S., Kim, D., Gammon, D. Essential concepts in the optical properties of quantum dot molecules. Solid State Commun. 149, 1427-1435 (2009).
  17. Bracker, A. S. Engineering electron and hole tunneling with asymmetric InAs quantum dot molecules. Appl. Phys. Lett. 89, 1-3 (2006).
  18. Doty, M. F., et al. Electrically Tunable g Factors in Quantum Dot Molecular Spin States. Phys. Rev. Lett. 97, 1-4 (2006).
  19. Stinaff, E. A., et al. Optical Signatures of Coupled Quantum Dots. Science. 311, 636-639 (2006).
  20. Tkachenko, N. V. Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations. , Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2006).
  21. Hecht, E. Optics. , 4th edn, Pearson Education Limited. Edinburgh Gate. (2014).
  22. O'Donnell, K. P., Chen, X. Temperature dependence of semiconductor band gaps. Appl. Phys. Lett. 58, 2924-2926 (1991).
  23. Stinaff, E. A., et al. Polarization dependent photoluminescence of charged quantum dot molecules. Phys. Stat. Sol. (c). 5 (7), 2464-2468 (2008).
  24. Jelezko, F., Wrachtrup, J. Single defect centres in diamond: A review. Phys. Stat. Sol. (a). 203 (13), 3207-3225 (2006).
  25. Doherty, M. W. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. Physics Reports. 528 (1), 1-45 (2013).

Tags

Инженерия выпуск 112 Резонансная флуоресценция фотолюминесценции спектроскопии лазерной ограничено разрешением высокой разрешающей способностью оптической спектроскопии фононами спектроскопии возбуждения фотолюминесценции
High Resolution фононами квазирезонанса флуоресцентной спектроскопии
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Czarnocki, C., Kerfoot, M. L.,… More

Czarnocki, C., Kerfoot, M. L., Casara, J., Jacobs, A. R., Jennings, C., Scheibner, M. High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy. J. Vis. Exp. (112), e53719, doi:10.3791/53719 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter