Abstract
Høyoppløselig optisk spektroskopi metoder er krevende i form av enten teknologi, utstyr, kompleksitet, tid eller en kombinasjon av disse. Her viser vi en optisk spektroskopi metode som er i stand til å løse spektrale egenskaper utover det spinn fin struktur og homogen linjebredden av enkelt kvanteprikker (QDS) ved hjelp av en standard, lett-å-bruke spektrometer oppsett. Denne metoden omfatter både laser og photoluminescence spektroskopi, kombinerer fordelen av laserlinjen bredde begrenset oppløsning med flerkanals photoluminescence gjenkjenning. En slik ordning gjør det mulig for en betydelig forbedring av oppløsning i løpet av den for en vanlig ett-trinns-spektrometer. Fremgangsmåten benytter fononer for å hjelpe til med måling av photoluminescence av en enkelt kvante dot etter resonans eksitasjon av dens grunntilstandsovergang. Den Phonon energi forskjell gjør det mulig å skille ut og filtrere ut laserlys spennende quantum dot. En fordelaktig feperaturen med denne metoden er det rett frem integrering i standard spektroskopi oppsett, som er tilgjengelig for de fleste forskere.
Introduction
Høy oppløsning er nøkkelen til å låse opp ny kunnskap. Med denne kunnskapen kan nye teknologier utvikles som bedre sensorer, mer presise produksjon verktøy og mer effektive beregningsenheter. Generere denne nøkkelen, men kommer ofte til en høy pris av ressurser, tid eller begge deler. Dette problemet er allestedsnærværende i alle skalaer fra atomfysikk for å løse de løftet degeneracies av elektron spinn å astronomi der en liten spektral skift kan føre til påvisning av planeter ved å fjerne stjerner. 1,2,3
Fokus for dette arbeidet er på å bruke en standard spektrometer oppsett og viser hvordan det kan løse spektrale egenskaper under sin resolusjon grense, spesielt med hensyn til feltet av halvledere optikk. Eksempelet som presenteres er at av anisotropisk elektron-hull (eh) utveksling splitting i InAs / GaAs kvanteprikker (QDS), som er i størrelsesorden noen μeV. 4 Vedtaket grensen for spektrometeret cen overvinnes ved å kombinere standard PL og laserspektroskopiteknikker. Denne metoden for kvasi-resonans fluorescens har den ekstra fordelen av å oppnå laser begrenset oppløsning ved hjelp av et vanlig ett-trinns spektrometer.
En standard optisk spektroskopi system for enkelt QD PL-spektroskopi består av en enkelt-trinns 0,3 til 0,75 m monokromator og en ladningskoblet anordning (CCD) detektor sammen med en eksitasjon laserkilde og optikk. Et slikt system er i beste fall stand til å løse 50 μeV i det nær-infrarøde spektrum rundt 950 nm. Selv med bruk av statistiske og dekonvolvering teknikker, er en slik enkel monokromator oppsett ikke er i stand til å løse mindre enn 20 μeV i PL-målinger. 5 Denne oppløsningen kan også forbedres ved hjelp av en trippel spektrometer, i trippel additiv-modus, hvor spekteret er suksessivt spredt av alle tre gitter. Den triple spektrometer har fordelen av øket oppløsning, i stand til å løserundt 10 μeV. I en alternativ konfigurasjon, triple subtraktiv modus, de to første rister oppføre seg som et band pass filter, som gir den ekstra funksjonen av å være i stand til å skille eksitasjon og deteksjon av mindre enn 0,5 MeV. Ulempen med trippel spektrometeret er at det er et kostbart system.
Før vi presenterer metoden av interesse, vi kort diskutere andre eksperimentelle tilnærminger som, med ekstra kompleksitet, oppnå bedre spektral oppløsning og er i stand til å løse den fine strukturen i enkelt QDS. Elementer av disse metoder som er aktuelle for den presenterte fremgangsmåten. En slik metode er å legge et Fabry-Perot interferometer (FPI) i deteksjon banen til en enkelt spektrometer oppsett. 6 Ved hjelp av denne metoden oppløsningen er satt av finesse av FPI. Således blir spektrometeret oppløsning ble forbedret til en μeV, på bekostning av ekstra kompleksitet og lavere signalintensitet. 7 Interferometeret fremgangsmåten endrer også den generelle operatipå fra spektrometeret med CCD-kameraet, en effektiv måte å bli en enkelt punktdetektor, og avstemnings gjennom forskjellige energier blir oppnådd ved å justere FPI hulrommet selv.
Resonans fluorescens (RF) spektroskopi, en annen metode der en enkelt optisk overgang er både spent og overvåket også gir løfte om høyoppløselig spektroskopi. Den spektrale oppløsningen er bare begrenset av laserlinjebredde og holder CCD som en flerkanaldetektor, hvor ikke bare en sensor detekterer signalet, men et antall CCD-bildeelementer. Denne flerkanals deteksjon er en fordel i form av signal i snitt. Utfordringen i RF-spektroskopi er å skille PL signal fra den større bakgrunn av det spredte laserlys, særlig ved måling på enkelt QD nivå. En rekke teknikker kan benyttes for å senke forholdet mellom signal til spredte laserlys, som involverer enten polarisering 8, 9 romlig eller tidsmessig separasjon 10av eksitasjon og deteksjon. Den første er å bruke høye utryddelse polarisatorene for å undertrykke det spredte lyset, men denne fremgangsmåte har den ugunstige resultatet av å tape polarisasjon informasjon fra PL. 8 En annen mulig metode for å oppnå resonans fluorescensen til ingeniør halvledersystemer som er koblet til optiske hulrom der eksitasjon og deteksjon banene er romlig separert. Dette eliminerer problemet med å måtte løse PL signal fra den store laseren bakgrunn. Imidlertid er denne fremgangsmåte begrenset til intrikate prøven fabrikasjon som er generelt ressurskrevende. 9
En annen klasse av metoder som også er i stand til å løse liten energiforskjellene er det av ren laserspektroskopi, slik som differensialtransmisjonen, noe som har fordelen av å oppnå laser begrenset oppløsning med fullstendig polarisering informasjon. Denne fremgangsmåten krever vanligvis låst påvisning for å observere ørsmå endringer i transmisjon signal sammenlignet med det store laser bakgrunnen. 11 I det siste har fremskritt innen nanofabrication har ført til en økning av fraksjonen av laserlys som samvirker med QD (e) til verdier opp til 20%, enten ved hjelp av indekstilpasset fast nedsenking linser eller innebygging prikkene i fotoniske krystaller bølgeledere. 12
Selv om disse metodene har evnen til å oppnå høy energioppløsning, kommer de på bekostning av kostbart utstyr, kompleks prøve fabrikasjon og tap av informasjon. Metoden i dette arbeidet kombinerer elementer fra disse tre metodene uten å legge kompleksiteten i instrumentering eller prøve fabrikasjon til en vanlig PL oppsett.
Nyere arbeider har vist at med en trippel-spektrometer system i subtraktiv modus, er det mulig å visualisere singlett-finstruktur i to-foton overgang spektrum av en kvante dot molekyl (QDM). 13 De involverte energi splitting av størrelsesordenav noen få til flere titalls μeV ble løst ved hjelp av en trippel subtraktiv modus, som tillot å opphisse overgangene resonantly og oppdage i løpet av mindre enn en MeV. Den spektrale informasjonen ble hentet ved å overvåke under overgangen med akustiske fononer og andre lavereliggende exciton overganger. Denne metoden kan også anvendes for å løse den anisotrope eh utveksling splitting og til og med levetiden begrenset linjebredden av den exciton overgang av 8 μeV og 4 μeV, henholdsvis som vist i figur 1. I likhet med dette resultat, vil dette papiret fokusere på en enkel spektrometer oppsett som vil innlemme mange av fordelene som de andre høyoppløselige metoder besitter. I tillegg CCD vil forbli som en flerkanaldetektor. Den eksperimentelle oppsettet kan også bli holdt ganske billig i forhold til andre høyoppløselige spektroskopi metoder og har den ekstra fordelen av å være enkelt endres for å oppnå enkeltpunkt korrelasjonsmålinger. I motsetning til resultatet using akustiske fononer og en trippel spektrometer, er den underliggende tasten for å gjøre bruk av LO-fonon satellitt forbundet med halvledere og beslektede legeringer som utgjør halvleder prøver. Energien skille mellom LO-fonon satellitt og den null-fonon linje (ZPL) er av størrelsesorden titalls MeV for slike prøver, som tillater bruk av en ett-trinns-spektrometer. 14 Denne energien atskillelse tillater bruk av den foreslåtte kvasi -resonance spektroskopimetode ved resonantly å drive en overgang og overvåking under eksitasjon ved en energi som tilsvarer en LO fonon. Denne teknikken er analog med den i PL eksitasjon hvor en eksiterer inn i en spent overgang og overvåker grunntilstanden overgangen. 15 Avstanden mellom overgangen blir spent og den for LO-fonon satellitt tillater bruk av kant pass filter for å undertrykke elastisk spredt lys. Denne fremgangsmåten for å bruke fonon satellitt gjør det mulig for laserlinjebredde begrenset oppløsningSiden resonantly spennende overgangen er vanligvis den eneste gangen at LO-Phonon satellitt utslipp blir synlig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Merk: Metodikken er beskrevet er spesifikke for en bestemt programvare, selv om andre programvarepakker kan brukes i stedet.
1. Prøvepreparering og Cool Down
- Fremstille prøven.
- Grow prøven, ved hjelp av Stranski-Krastanov vekst metode via molekylær stråle epitaxy opprette to vertikalt stablet selv montert INA / GaAs QDS som er atskilt med en 4 nm tunnel barriere som tidligere beskrevet. 16 Legge til QDS i et elektrisk felt effekt struktur (dvs. Schottky-diode) som åpner for et elektrisk felt som skal brukes til de QDMs. 17
Merk: Bruken av QDMs er ikke et krav for metoden. Også halvledere InAs / GaAs ikke er nødvendig, vil teknikken fungerer for QDMs eller QDS laget fra alle halvledere kombinasjon. - Dikte prøvene slik at den enkelte QDS kan optisk adresseres. Gjør dette ved å enten legge en åpning maske til toppen av prøven eller making en lav tetthet prøven med 10 8 QDS / cm2 eller mindre, avhengig av fokalpunktet størrelse. 18
- Grow prøven, ved hjelp av Stranski-Krastanov vekst metode via molekylær stråle epitaxy opprette to vertikalt stablet selv montert INA / GaAs QDS som er atskilt med en 4 nm tunnel barriere som tidligere beskrevet. 16 Legge til QDS i et elektrisk felt effekt struktur (dvs. Schottky-diode) som åpner for et elektrisk felt som skal brukes til de QDMs. 17
- prøven inn i brikken overskriften festet.
- Anvende en legering som består av 50% vismut, 26,7% bly, 13,3% tinn og 10% kadmium på det keramiske brikken spissen. Varm opp brikken ved hjelp av en varm plate inntil legeringen blir flytende. Plasser bunnen av prøven på den flytende legeringen som fester den til brikken spissen.
Merk: Bunnen av prøven er en av elektrodene på Schottky-diode og loddepunktet til chip spissen er forbundet med en tapp. Et annet alternativ for å feste prøven er sølv ledende epoxy.
- Anvende en legering som består av 50% vismut, 26,7% bly, 13,3% tinn og 10% kadmium på det keramiske brikken spissen. Varm opp brikken ved hjelp av en varm plate inntil legeringen blir flytende. Plasser bunnen av prøven på den flytende legeringen som fester den til brikken spissen.
- Følge 40 G gull wire fra et punkt (hjørne) av prøven til en pin på brikken.
- Plasser en dråpe med sølv epoxy på det øverste hjørnet av prøven og en dråpe på en av stift pads på brikken.
- lå forsiktig gull wire i de to dråper.
Merk: Toppen av than prøven er den andre elektroden i det Schottky-diode som tillater anvendelse av et elektrisk felt.
- Monter chip og prøven inn i kryostaten og sikre at prøven har god termisk kontakt med kobberet prøveholderen.
- Påfør indium folie mellom brikken og kryostaten kalde finger.
- Trykk feste brikken til den kalde fingeren. Bruk to skruer med skiver og stram godt for å sikre god termisk kontakt med cryostat kobber kald finger.
- Feste ledninger fra brikken pinnene som er koblet til både det øvre og nedre elektroder på prøven. Kjør disse ledningene gjennom kryostaten til kilden meter.
Merk: Kilden meter gjelder en skjevhet til prøve elektroder, utsette QDS til en ekstern elektrisk felt. - Evakuer og bringe cryostat og prøvekammeret til vakuum. Start turbo pumpe, evakuering til ca. 10 -6 Torr i forberedelsene til den kjølige ned av sample.
Merk: Kjøling og temperaturkontroll for forsøket utføres med kryostaten som består av en lukket syklus kjøleskap og en tilknyttet mikrosprøvekammer. - Start kryostaten kompressor. Tillat kryostaten for å avkjøle systemet til n ønsket temperatur.
Merk: For de presenterte resultatene var temperaturen ca. 18 K. Når prøven blir avkjølt, er oppsettet klart for installasjon av optikk som vil tillate for optisk måling for å bli tatt.
2. Optics Setup
Merk: For alle satt opp prosedyrer, kjøre laser, kilde meter, spektrometer og CCD ved enten å bruke programvaren som leveres av produsenten eller annen tilpasset program.
- For PL samling, plasserer en lang arbeidsavstand 50X mikroskop objektiv og collimation objektivet i tråd med linse som fokuserer PL signal på spektrometer. Samle spekteret gjennom en 0,75 mmonochromator hvor signalet blir dispergert ved hjelp av en 1,100 mm -1 gitter og påvist ved anvendelse av et flytende nitrogen avkjølt 1340 x 100 piksler CCD-kamera.
- Ved hjelp av en hvit lyskilde, belyse prøven.
- Fokusere bildet av prøven gjennom en ekstern kamera og spektrometeret ved på riktig måte å innrette alle optikk for å oppdage side (dvs., kollimasjon og fokuseringslinse) og på null bølgelengde får en ren fokusert bilde av prøven på spektrometeret CCD.
Merk: Det er nyttig å ha en annen ekstern økende kamera for å hjelpe til med justering og få et skarpt bilde av prøven.
- Fokusere bildet av prøven gjennom en ekstern kamera og spektrometeret ved på riktig måte å innrette alle optikk for å oppdage side (dvs., kollimasjon og fokuseringslinse) og på null bølgelengde får en ren fokusert bilde av prøven på spektrometeret CCD.
- Etter at deteksjonssiden er satt opp, fokusere lasers på prøven. Fokusere strålen stedet for den minste mulige størrelse på prøven ved hjelp av en linse. Bruk en fleksibel diode laser med en eksitasjon område som inneholder grunntilstanden overgangs energier. Angi at laseren hendelsen til prøven i en skrå vinkel. En fordel med skrå forekomst erat det hjelper med å bli kvitt en stor del av det spredte laserlys.
- Eksitere prøven ved en høyere ikke-resonant energi. Optimalt, gjør dette ved å eksitere ved en energi under fuktelaget. For InAs / GaAs QDMs i denne studien svarer dette til 75 MeV eller mer over den første tilstandsoverganger.
- Kjør spekteret oppkjøpet programvaren i fokusmodus. Skann prøven over laser stedet ved hjelp av en XY oversettelse scenen som er festet til kryostaten mikros prøven boliger. Gjør dette til spektrometeret CCD fanger diskrete linjer av de første tilstandsoverganger. Sentrer deteksjon på en av QDMs.
Merk: Når en QDM er funnet, er den optiske oppsettet fullført. For prøvene brukes grunntilstanden energiene er rundt 1300 MeV. - Generere en skjevhet kartet.
- Anvende en potensiell kilde via måleren (trinn 1.5) som er forbundet med elektrodene på prøven; Dette gjelder en forspenning over elektrodene i sin tur genererer et elektrisk felt til den QDMs.
Merk: forspenning rekkevidde påføres prøven er 0-2 V på tvers av Schottky-diode-strukturen. Dette er når enheten er i revers bias, og det elektriske feltet begrenser mengden av kostnader i QDM slik at for de enkelte lade stater til å være synlig. - Ta individuelle spektra ved forskjellige inkrementert spenningsverdier, avhengig av ønsket oppløsning denne varierer normalt fra hundredeler til tusendeler av en volt. Kombiner disse individuelle spektra sammen ved hjelp av et tilpasset program (f.eks LabView).
Merk: Programmet kan lett bli kodet ved bruk av et bredt spekter av forskjellige programmer for å kombinere de vektor kolonnene for de enkelte pektrene inn i en matrise, i den presenterte forsøket denne er lagt inn for å sy sammen data i sanntid.- Klikk på knappen Kjør for å ta en skjevhet kartet. Dette tar spektra på et sett skjevhet og gjøre det til en kolonnevektor, legger deretter hver økes skjevhet spektra som en annen kolonne.
Merk: Dette genererer en data Matrix hvor intensitetsverdiene svarer til den intensitet PL, p representerer energi / bølgelengde, og kolonnene tilsvarer spenning. Den skjevhet kartet skal være synlig som det blir kjørt, og dermed gir direkte tilbakemelding om kvaliteten på dataene.
Merk: En skjevhet hjelper å identifisere ulike lade konfigurasjoner og gir riktig informasjon for å fullføre oppsettet av både eksitasjon og deteksjon baner.
- Klikk på knappen Kjør for å ta en skjevhet kartet. Dette tar spektra på et sett skjevhet og gjøre det til en kolonnevektor, legger deretter hver økes skjevhet spektra som en annen kolonne.
- Anvende en potensiell kilde via måleren (trinn 1.5) som er forbundet med elektrodene på prøven; Dette gjelder en forspenning over elektrodene i sin tur genererer et elektrisk felt til den QDMs.
- Identifisere overgangen som vil bli begeistret. Legg merke til energi av overgangs og forspenningen som er av interesse.
- På dette punktet bestemmer hvordan laser eksitasjon vil bli stilt gjennom overgangen. Det finnes tre ulike alternativer for å få laseren til å opphisse til grunntilstanden overgang:
- Tune overgangen energi ved temperatur. 18
- Bruk Stark forskyvning av overgangen for å oppnå resonans med laserenergien. 19
Merk: En fin funksjon av de to metodene som er nevnt ovenfor is som en fleksibel laserkilden ikke er nødvendig, siden qdm overganger er innstilt gjennom et fast laser energi. - Alternativt kan du bruke en tunable laser kilde, stepping laser energi gjennom overgangen. En deteksjons signal vil være til stede når laseren er resonant med overgangen, gir denne målingen dens laseren begrenset spektral oppløsning. Dette vil være i fokus for resten av protokollen.
- På dette punktet bestemmer hvordan laser eksitasjon vil bli stilt gjennom overgangen. Det finnes tre ulike alternativer for å få laseren til å opphisse til grunntilstanden overgang:
- Med overgangen identifisert og de eksperimentelle parametre innstilt ved å velge både eksitasjon og deteksjon energier for målingen.
- Velge eksitasjonsenergien som for overgangen. Velge deteksjons som den eksiterte overgang energi minus energien av den langsgående optiske (LO) fonon forbundet med halvlederlegering. Ved hjelp av disse verdiene, velger de riktige kanten pass filter for måling; de må ha tidsavgrensninger i mellom eksitasjon og deteksjon energier.
Merk: For experimental resultatene presentert, den drevne overgangen var den nøytrale grunntilstanden exciton vist i figur 3, observert ved 1,301.7 MeV og -1 LO fonon emisjon ligger ved 1,266 MeV, tilsvarende 952,5 nm og 979,3 nm henholdsvis. Vi bruker derfor en 960 nm kort pass filter for eksitasjon og 960 nm lang pass filter for påvisning. Interferens cut-off filter er ideelle for dette formålet, siden de kan være innstilt ved å justere vinkelen.
- Velge eksitasjonsenergien som for overgangen. Velge deteksjons som den eksiterte overgang energi minus energien av den langsgående optiske (LO) fonon forbundet med halvlederlegering. Ved hjelp av disse verdiene, velger de riktige kanten pass filter for måling; de må ha tidsavgrensninger i mellom eksitasjon og deteksjon energier.
- Sett laser for å opphisse ved overgangen energi av interesse, noe som gjøres ved å skrive inn ønsket laser bølgelengde verdi i det aktuelle inntastingsfeltet på frontpanelet på laserkontroll.
- Angi senterbølgelengden til den forhåndsbestemte verdien for å overvåke -1 LO foton emisjon ved å skrive inn ønsket senteret bølgelengde verdi i det aktuelle inntastingsfeltet på frontpanelet av spektrometeret kontroll programvare.
Merk: -1 LO foton emisjon for InAs / GaAs er ca.oximately 36 MeV under exciton overgang som vil bli begeistret. - Bruke kameraet programvaren, starter samlingen med CCD ved å kjøre spekteret oppkjøpet programvaren i kontinuerlig modus ved å klikke på fokusmodus-knappen. Et signal skal være synlig eller kan fortsatt være skjult av lasersprednings.
- Maksimere signal. KRITISK STEP: Tune eksitasjon kort pass filter, med litt å justere vinkel slik at den har riktig bølgelengde cutoff.
Merk: Den optimale vinkel er etablert ved å overvåke signalet mens justere vinkelen av den korte passfilteret. Ved å endre vinkelen av filteret denne endrer grensebølgelengde. Nøkkelen er å sørge for at så mye laserlys som mulig blir undertrykt fra samlingen.
3. Kvasi-resonans Measurement Setup
- Sett eksperimentelle parametre på kontroller ved hjelp av tilpasset programvare hovedskjermbildet. For å gjøre dette, starter samlingen programmet og klikk på the Step Polarisering, Temp, eller kategorien WL. Dette setter alle eksperimentelle verdier og en gang løp, samler inn data gjennom de ulike parametrene.
Merk: For vår eksperimentet data tar alle kontroller ble tilpasset programmert. Nøkkelen er å ha en programvare eller programmere i stand til å sette sentrum bølgelengde på spektrometeret, kontrollere CCD og kilde meter, og steg laser energi gjennom overgangen mens samle en rekke spektre på ulike skjevheter.- Input det etablerte laserenergiområdet at laseren vil skanne gjennom: fra ca 50 μeV over nøytral exciton overgangen energi 1,301.7 MeV, til 50 μeV nedenfor. Sett den første Wavelength å starte skanningen ved hjelp av "Ønsket WL (nm)" -feltet. Sett enden utvalg av laser til å skanne over ( "End Motor Unit").
- Sett skjevhet området som kilden meter vil søke gjennom ved å klikke på "Spenning Settings" -fanen. Sett start skjevhet value ( "Spennings Start (V)»), slutten forskyvningsverdi "Spennings End (V)", og forspenningen trinnstørrelsen "Spennings Trinn (V)". Her skjevhet utvalg skannet var 1,68 til 1,82 V.
- Input integreringstiden velges ved å klikke på "Kamerainnstillinger" -kategorien. Sett integrasjonstiden for CCD under "Exposure (s)" (Se trinn 3.3). Velg en rimelig integrasjonstiden for CCD. Eksperimenter med integrering tid til å få et godt signal. Jo større integrasjonstiden den bedre signal midlingen som er oppnåelig. 20
Merk: Integrasjon ganger brukt for forsøket var 10 sek. Men, kan integrasjon tider være så lav som 0,5 sekunder, avhengig av styrken av det signal PL. Til tider er det ikke engang nødvendig å se signalet i enkelte avsøkninger, men ved å sy den sammen spektra datasummering pluss evne i øyet til å interpolere vil avdekke overgangene i kartet photoluminescence eksitasjon (PLE).
4. Data Acquisition
- Når eksperimentelle parametre er etablert starte forsøket. Begynn samling ved å klikke på knappen Kjør.
Merk: Ved hver laser energi programvaren varierer bias ta et spektrum og en bakgrunn spektrum. Dette blir gjort for hver skjevhet trinn. Da laserenergien er variert, og prosessen fortsetter inntil hele området som velges er fullført. - Post-prosess dataene.
- Ta de ekstra bakgrunnsskanninger som er tatt på slutten av hver skjevhet kartet og trekke gjennomsnittet fra hver av bias kolonner. Bruk en bakgrunn subtraksjon program, eller skrive et program som tar bakgrunns kolonner, gjennomsnitt dem sammen og trekke dette i gjennomsnitt bakgrunn spektra fra hver skjevhet kolonne i datamatrisen. Merk: Se Opplysning arkivkode for programmet brukes i vår lab.
Merk: Dette fjerner andre uønskede signaler forårsaket av eventuelle gjenværende spredt laserlys, sterkt imbeviser kartet bias.
- Ta de ekstra bakgrunnsskanninger som er tatt på slutten av hver skjevhet kartet og trekke gjennomsnittet fra hver av bias kolonner. Bruk en bakgrunn subtraksjon program, eller skrive et program som tar bakgrunns kolonner, gjennomsnitt dem sammen og trekke dette i gjennomsnitt bakgrunn spektra fra hver skjevhet kolonne i datamatrisen. Merk: Se Opplysning arkivkode for programmet brukes i vår lab.
- Analysere dataene.
- For eksempel, for å trekke ut de karakteristiske parametre for spektrallinje bruke en matematisk passende programvare for å kjøre en Lorentzian sittende på hver skjevhet skive kartet PL. 21 Når tilpasningsprosedyren er fullført all informasjon vil være i koeffisientene for montering slike som den maksimale intensitet, spektral plassering og FWHM.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultatene presentert i figurene viser de høye egenskapene til ved hjelp av fononer for å bistå i PL måleoppløsning. Skjematisk (figur 2) viser at med unntak av kant pass filter på både eksitasjon og deteksjon, det eksperimentelle oppsettet er fortsatt en standard spektroskopi oppsett, med den valgfrie tillegg av polarisering kontroll. Sammenligning med en singel og trippel spektrometer (figur. 3) skildrer Phonon-assistert metode er stor forbedring i oppløsning. Den anisotropisk eh splitting vises tydelig slik at for nøyaktige målinger av splitting (figur 4). Metoden gir også en enkelt kan gjøre levetid begrenset linewidth målinger av QD overganger (figur 5). Montering av toppene med Lorentzian funksjoner full analyse av data; ekstrapolering fra det passer, er det mulig å trekke ut både splitting og fullbredde halv maksimum. Videre kan dette kvasi-resonansteknikken bli inkorporert med en trippel-spektrometer i tre subtraktive modus (figur 1) for å overvåke overganger innen 0,5 MeV.
Figur 1. Acoustic-Phonon-assistert måling. Capabilities av kvasi-resonans spektroskopi teknikk. (A) toppintensitet av grunntilstanden nøytral exciton av en QDM som sett i PL. Den røde linjen viser kvasi-resonans eksitasjon. (B) PL i halen av exciton overgang som overgangen er avstemt i resonans med laseren. Ved hjelp av en trippel spektrometer i trippel subtraktiv modus, er eksitasjon og deteksjon atskilt med mindre enn 1 MeV. (C) Summert kvasi-resonant PL fra (B), som skildrer oppløsningen av funksjonene i anisotropisk eh utveksling splitti ng og levetiden begrenset linjebredden av overgangen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Forsøksoppsett Skjematisk. Skjematisk fremstilling av den enkle spektrometer oppsett som brukes for de LO-fononenergier assistert målinger. Indikert er fleksibel diode laser, både langpasning (LP) og short-pass (SP) filtrene som brukes for tuning regionen deteksjon, mikroskop objektiv (MO), spektrometeret, og flytende nitrogen avkjølt CCD. De stiplede bokser på både eksitasjon og deteksjon representerer de valgfrie komponentene i en variabel retarder (VR) og polarizers (Pol) som er nødvendige for polarisering målinger.ank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Spectral Oppløsning Sammenligning av tre PL-baserte metoder Eksempel på oppnåelig oppløsning ved hjelp av ulike metoder.; i A og B, spektrometeret gitter og CCD-pixel bredde begrense oppløsningen. (A) Nøytral exciton overgang som løses av en enkelt spektrometer med ikke-resonant eksitasjon rundt 918 nm. Den spektrale oppløsningen er ca 26 μeV per piksel, og er for stor til å være i stand til å gjøre ut anisotropisk eh utveksling splitting. (B) Den samme spektralområdet som i (A) med ikke-resonans eksitasjon, men med spektrometeret angitt i trippel additiv-modus, hvor oppløsningen er 10 μeV. (C) nøytral exciton overgang som løses ved hjelp av Phonon satellitt in denne kvasi-resonant Phonon-assistert spektroskopi metode. De to toppene er godt løst og passer av en dobbel Lorentzian funksjon, som gir en anisotropisk eh utveksling splitting på 23,3 ± 0,1 μeV. De ekstraherte FWHM verdier for lavere og høyere energitopper er 7,3 ± 0,1 μeV og 9,6 ± 0,4 μeV hhv. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. PL Kart over en QDM og Associated Phonon-assistert måling. (A) Vanlig oppløsning skjevhet kart over QDM under ikke-resonans eksitasjon. Forspenn Kartet viser utslipp fra den nøytrale direkte (X0) og indirekte (iX0) exciton, så vel som den positive Trion (X +). Også, skjevhet ved hvilken laseren blir skannet gjennom erindikeres av den røde boksen på rundt 1,1 V. (B) med høy oppløsning PL på -1 Phonon satellitt under magnetisering gjennom direkte nøytral exciton. Overgangen energi ble innstilt gjennom et fast laser energi fra 951,657 nm (1,302.824 MeV) ved å trå temperaturen. Den -1 Phonon satellitt er sett til å være ca 36 MeV under zero fononenergier linjer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. Bias Kart over Anisotropic eh Splitting. Bias kart over anisotropisk eh utveksling splitting, sentrert på 1,302.28 MeV. Forspenn kart ble gjort ved å øke den spenning som påtrykkes i 2 trinn mV ved hver laserenergi og passlaserenergien 37 ganger over hele energiområdet, omtrent endring 1,7-# 181; eV i hvert trinn. Gjennomsnittet av eh utveksling energi er 25,4 μeV med et standardavvik på 0,8 μeV over denne skjevhet regionen. Monteringen av Stark skift vises. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke Allan Bracker og Daniel Gammon ved Naval Research Laboratory for å gi prøvene som studeres. Dette arbeidet ble støttet (delvis) av Defense Threat Reduction Agency, Basic forskningspris # HDTRA1-15-1-0011, University of California-Merced.
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 |
References
- 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).
- 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).
- Oetiker, B., et al. Searching for Companions to Late Type M Stars. .Astro. Soc. Pac. Conf. Ser. 212, (2000).
- 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).
- Belhadj, T., et al. Controlling the Polarization Eigenstate of a Quantum Dot Exciton with Light. Phys. Rev. Lett. 103 (1-4), (2009).
- 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).
- Vamivakas, A. N., et al. Observation of spin-dependent quantum jumps via quantum dot resonance fluorescence. Nature. 467, 297-300 (2010).
- Poem, E., et al. Polarization sensitive spectroscopy of charged quantum dots. Phys. Rev. B. 76, (2007).
- Flagg, E. B., et al. Resonantly driven coherent oscillations in a solid-state quantum emitter. Nature Phys. 5, 203-207 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Palik, E. D. Handbook of Optical Constants of Solids. Vols. I and II. , Academic Press. New York. (1985).
- Kerfoot, M. L., et al. Optophononics with Coupled Quantum Dots. Nat. Commun. 5, 1-6 (2013).
- 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).
- Bracker, A. S. Engineering electron and hole tunneling with asymmetric InAs quantum dot molecules. Appl. Phys. Lett. 89, 1-3 (2006).
- Doty, M. F., et al. Electrically Tunable g Factors in Quantum Dot Molecular Spin States. Phys. Rev. Lett. 97, 1-4 (2006).
- Stinaff, E. A., et al. Optical Signatures of Coupled Quantum Dots. Science. 311, 636-639 (2006).
- Tkachenko, N. V. Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations. , Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2006).
- Hecht, E. Optics. , 4th edn, Pearson Education Limited. Edinburgh Gate. (2014).
- O'Donnell, K. P., Chen, X. Temperature dependence of semiconductor band gaps. Appl. Phys. Lett. 58, 2924-2926 (1991).
- Stinaff, E. A., et al. Polarization dependent photoluminescence of charged quantum dot molecules. Phys. Stat. Sol. (c). 5 (7), 2464-2468 (2008).
- Jelezko, F., Wrachtrup, J. Single defect centres in diamond: A review. Phys. Stat. Sol. (a). 203 (13), 3207-3225 (2006).
- Doherty, M. W. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. Physics Reports. 528 (1), 1-45 (2013).
