Abstract
Høj opløsning optisk spektroskopi metoder er krævende med hensyn til enten teknologi, udstyr, kompleksitet, tid eller en kombination af disse. Her demonstrerer vi en optisk spektroskopi metode, der er i stand til at løse spektrale funktioner ud over det af spin fine struktur og homogen liniebredde af enkelte kvante prikker (QDs) ved hjælp af en standard, der er nem at bruge spektrometer setup. Denne metode omfatter både laser og fotoluminescens spektroskopi, der kombinerer fordelen ved laser linje bredde begrænset opløsning med multi-kanal fotoluminescens afsløring. En sådan ordning tillader betydelige forbedring af opløsning i den for en fælles ettrins spektrometer. Fremgangsmåden anvender fononer for at hjælpe med målingen af fotoluminescens af en enkelt kvantepunkt efter resonant excitation af sin grundtilstand overgang. Den Phonon energi forskel gør det muligt at adskille og filtrere laserlyset spændende kvantepunktet. En fordelagtig feratur ved denne metode er dens ligetil integration i standard spektroskopi opsætninger, der er tilgængelige for de fleste forskere.
Introduction
Høj opløsning er nøglen til at frigøre ny viden. Med denne viden, kan der udvikles en sådan ny teknologi som bedre sensorer, mere præcise fremstilling værktøjer og mere effektive beregningsmæssige enheder. Generering denne tast, dog ofte kommer til en høj pris af ressourcer, tid eller begge dele. Dette spørgsmål er allestedsnærværende på tværs af alle skalaer fra de atomare fysik løse de løftede degenerationer af elektron spins til astronomi, hvor en lille spektral forskydning kan føre til opdagelse af planeter siden fjerne stjerner. 1,2,3
Fokus i dette arbejde er på ved hjælp af en standard spektrometer opsætning og viser, hvordan det kan løse spektrale funktioner nedenfor sin beslutning grænse, især med hensyn til området for halvleder optik. Eksemplet er, at anisotrop elektron-hul (eh) udveksling opdeling i InAs / GaAs quantum dots (QDs), som er af størrelsesordenen nogle få μeV. 4 Opløsningen grænse for spektrometer cen overvindes ved at kombinere faste PL og laser spektroskopiteknikker. Denne metode til kvasi-resonans fluorescens har den ekstra fordel at opnå laser begrænset opløsning ved hjælp af en almindelig single-fase spektrometer.
En standard optisk spektroskopi system til enkelt QD PL spektroskopi består af en enkelt-trins 0,3-0,75 m monochromator og en ladningskoblet indretning (CCD) detektor sammen med en excitation laserkilde og optik. Et sådant system er i bedste stand til at løse 50 μeV i nær-infrarøde spektrum omkring 950 nm. Selv med anvendelse af statistiske og udfoldningen teknikker, sådan enkelt monokromator opsætningen ikke kan løse mindre end 20 μeV i PL målinger. 5 Denne beslutning kan også forbedres ved anvendelse af en tredobbelt spektrometer, i triple additiv modus, hvor spektret er successivt spredt af alle tre riste. Den tredobbelte spektrometer har den fordel, forøget opløsning, kan løseomkring 10 μeV. I en alternativ konfiguration, triple subtraktiv tilstand, de første to gitre opfører sig som et båndpasfilter, der giver ekstra funktion for at kunne adskille excitation og påvisning af mindre end 0,5 MeV. Ulempen ved den tredobbelte spektrometer er, at det er et kostbart system.
Inden fremlæggelsen af metoden af interesse, vi kort diskutere andre eksperimentelle tilgange, som, med ekstra kompleksitet, opnår bedre spektral opløsning og er i stand til at løse den fine struktur af enkelte QDs. Elementer af disse metoder er relevante for den præsenterede metode. En sådan metode er at tilføje en Fabry-Perot interferometer (FPI) i detektering vejen for en enkelt spektrometer setup. 6 Brug denne metode opløsningen er indstillet af finesse af FPI. Således er spektrometer beslutning forbedret til 1 μeV, på bekostning af øget kompleksitet og lavere signalintensitet. 7 Interferometeret metode ændrer også den generelle operatipå af spektrometer med CCD-kameraet, effektivt ved at blive et enkelt punkt detektor, og tuning gennem forskellige energier opnås ved at justere FPI hulrum selv.
Resonans fluorescens (RF) spektroskopi, en anden metode, hvor en enkelt optisk overgang er både spændt og overvåges tilbyder også løfte om høj opløsning spektroskopi. Den spektrale opløsning er kun begrænset af laseren liniebredde og holder CCD som en multi-kanal detektor, hvor ikke bare én sensor registrerer signalet, men en række CCD pixels. Denne multikanal afsløring er fordelagtig i forhold til signal gennemsnit. Udfordringen i RF-spektroskopi er adskillelse af PL signal fra større baggrund af det spredte laserlys, især ved måling på samme QD niveau. En række teknikker kan anvendes til at sænke forholdet mellem signal til spredte laserlys, som involverer enten polarisering 8, rumlig 9 eller tidsmæssig adskillelse 10af excitation og detektion. Den første er at anvende høje extinction polarisatorer til at undertrykke det spredte lys, men denne metode har den ugunstige udfald af miste polarisering information fra PL. 8 En anden mulig metode til at opnå resonans fluorescens til ingeniør halvleder systemer, der er koblet til optiske hulrum, hvor excitations- og detektion stier er rumligt adskilt. Dette eliminerer problemet med at skulle løse PL signal fra den store laser baggrund. Imidlertid er denne metode er begrænset til indviklede prøve fabrikation som generelt er ressourcekrævende. 9
En anden klasse af metoder, der også er i stand til at løse øjebliks energiforskelle er, at rent laser spektroskopi, såsom differentiel transmission, som har den fordel at opnå laser-begrænset opløsning med fuldstændig polarisering oplysninger. Denne metode kræver typisk lock-in detektion at observere minimal ændringer i transmission signal sammenlignet med den store laser baggrund. 11 det seneste fremskridt i nanofabrikation har ført til et løft af den del af laserlys, der interagerer med QD (s) til værdier på op til 20%, ved enten at bruge indeks-matchede fast nedsænkning linser eller indlejring prikkerne i fotoniske krystal bølgeledere. 12
Selv om disse fremgangsmåder har evnen til at opnå høj energiopløsning, de kommer på bekostning af dyrt udstyr, kompleks prøve fabrikation og tab af information. Metoden i dette arbejde kombinerer elementer fra disse tre metoder uden at tilføje kompleksitet i instrumentering eller prøve fabrikation til en almindelig PL setup.
Nyligt arbejde har vist, at med en tredobbelt spektrometer system subtraktiv tilstand, er det muligt at visualisere den singlet-triplet fin struktur i de to-foton overgang spektrum af en kvantepunkt molekyle (QDM). 13 Den involverede energi opdeling på ordrenaf et par til et tocifret antal μeV blev løst ved anvendelse af en tredobbelt subtraktiv tilstand, som tillod at excitere overgangene resonans og detektere inden for mindre end et MeV. Den spektrale information blev ekstraheret ved at overvåge under overgangstemperaturen hjælp akustiske fononer og andre lavere liggende exciton overgange. Denne metode kan også anvendes til at løse den anisotrope eh udveksling opdeling og endda levetid begrænset liniebredde af exciton overgang 8 μeV og 4 μeV henholdsvis som ses i figur 1. Svarende til dette resultat, vil dette papir fokusere på en enkel spektrometer setup, der vil indarbejde mange af de fordele, som de andre metoder i høj opløsning besidder. Derudover vil CCD forblive som et multi-kanal detektor. Den eksperimentelle opstilling kan også holdes forholdsvis billig i forhold til andre høj opløsning spektroskopi metoder og har den ekstra fordel af at være let ændret for at opnå enkelt punkt korrelation målinger. I modsætning til resultatet using akustiske fononer og en tredobbelt spektrometer, den underliggende centrale er at gøre brug af LO-phonon satellit forbundet med halvledere og beslægtede legeringer, der udgør halvleder prøver. Den energi adskillelse mellem LO-phonon satellit og nul-phonon linje (ZPL) er på rækkefølgen af snesevis af MeV for sådanne prøver, så brugen af en enkelt-trins spektrometer. 14 Denne energi adskillelse tillader brug af den foreslåede quasi -resonance spektroskopi metode resonans køre en overgang og overvågning under excitation af en energi svarende til en LO phonon. Denne teknik er analog til den i PL excitation hvor man vækker i en ophidset overgang og overvåger grundtilstanden overgang. 15 Adskillelsen mellem overgangen bliver spændt, og at af LO-phonon satellit tillader anvendelse af kant pass filtre til at undertrykke elastisk spredte lys. Denne fremgangsmåde til anvendelse af phonon satellit tillader laser linewidth begrænset opløsningDa resonansspredte spændende overgangen er typisk det eneste tidspunkt, at LO-phonon satellit emission bliver synlig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk: Den beskrevne metode er specifik for en bestemt software, selv om andre software pakker i stedet kan anvendes.
1. Prøveforberedelse og Nedkøling
- Fabrikere prøven.
- Grow prøven, ved hjælp af Stranski-Krastanov vækst metode via molekylær stråle epitaxy oprette to lodret stablede selvsamlede InAs / GaAs QDs der er adskilt af et 4 nm tunnel barriere som beskrevet tidligere. 16 indlejre QDs i et elektrisk felt effekt struktur (dvs. Schottky diode) giver mulighed for et elektrisk felt, der skal anvendes på de QDMs. 17
Bemærk: Brugen af QDMs er ikke et krav for fremgangsmåden. Også halvledere InAs / GaAs ikke er nødvendige, vil teknikken arbejde for QDMs eller QDs fremstillet af enhver halvleder kombination. - Fabrikere prøverne, så de enkelte QDs kan optisk behandles. Gør dette ved enten at tilføje en blænde maske til toppen af prøven eller making en prøve med lav densitet med 10 8 QDs / cm2 eller mindre afhængigt af brændpunktet størrelse. 18
- Grow prøven, ved hjælp af Stranski-Krastanov vækst metode via molekylær stråle epitaxy oprette to lodret stablede selvsamlede InAs / GaAs QDs der er adskilt af et 4 nm tunnel barriere som beskrevet tidligere. 16 indlejre QDs i et elektrisk felt effekt struktur (dvs. Schottky diode) giver mulighed for et elektrisk felt, der skal anvendes på de QDMs. 17
- Montere prøven i chippen header.
- Påfør en legering bestående af 50% bismuth, 26,7% bly, 13,3% tin og 10% cadmium på det keramiske chip header. Varm chippen under anvendelse af en varmeplade indtil legeringen bliver flydende. Placer bunden af prøven på flydende legering fastgøre den til chip header.
Bemærk: Bunden af prøven er en af elektroderne på Schottky diode og lodde punkt til chip header er forbundet til en stift. En anden alternativ til fastgørelse af prøven er ledende sølv epoxy.
- Påfør en legering bestående af 50% bismuth, 26,7% bly, 13,3% tin og 10% cadmium på det keramiske chip header. Varm chippen under anvendelse af en varmeplade indtil legeringen bliver flydende. Placer bunden af prøven på flydende legering fastgøre den til chip header.
- Klæbe 40 G guldtråd fra et punkt (øverste hjørne) af prøven til en stift på chippen.
- Placer en dråbe af sølv epoxy på det øverste hjørne af prøven og én dråbe på en af pin puder på chippen.
- Læg forsigtigt guldtråd i de to dråber.
Bemærk: Toppen af than prøve er den anden elektrode af Schottky diode, der tillader anvendelse af et elektrisk felt.
- Monter chip og prøven i kryostaten og sikre prøven har god termisk kontakt med indehaveren kobber prøven.
- Påfør indium folie mellem chippen og kryostaten kolde finger.
- Tryk montere chip til den kolde finger. Brug to skruer med skiver og spænd fast for at sikre god termisk kontakt med kryostat s kobber kold finger.
- Fastgør ledningerne fra chippen stifter, der er forbundet til både top og bund elektroder på prøven. Køre disse ledninger gennem kryostaten til kilden måleren.
Bemærk: Kilden meter anvender en bias til stikprøvens elektroder, udsætter de QDs til en ekstern elektrisk felt. - Evakuer og bringe kryostat og prøve kammer til vakuum. Start turbopumpe, evakuering til ca. 10 -6 Torr som forberedelse til nedkøling af sample.
Bemærk: Afkøling og temperaturstyring til eksperimentet udføres med kryostaten som er sammensat af et lukket kredsløb køleskab og en vedhæftet mikroskopi prøvekammer. - Start kryostaten kompressor. Tillad kryostaten afkøle systemet indtil den når den ønskede temperatur.
Bemærk: For de præsenterede resultater var temperaturen ca. 18 K. Når prøven afkøles, opsætningen er klar til installation af optikken, der vil tillade for optisk måling, der skal tages.
2. Optics Setup
Bemærk: alle oprettet procedurer, køre laser, kilde meter, spektrometer og CCD ved enten at bruge den software, der af fabrikanten eller andre brugerdefinerede program.
- For PL kollektion, placere en lang arbejdsafstand 50X mikroskop objektiv og kollimering linse i tråd med den linse, der fokuserer PL-signalet på spektrometer. Saml spektret igennem en 0,75 mmonochromator hvor signalet spredt af en 1.100 mm -1 rivning og detekteret ved anvendelse af en flydende nitrogen afkølet 1.340 x 100 pixel CCD-kamera.
- Ved hjælp af en hvid lyskilde, belyse prøven.
- Fokuser billedet af prøven gennem et eksternt kamera og spektrometer ved korrekt justere alle optik på påvisning side (dvs. kollimering og fokusering linse) og ved nul bølgelængde få en ren fokuseret billede af prøven på spektrometer CCD.
Bemærk: Det er nyttigt at have en anden ekstern billedbehandling kamera til at hjælpe med tilpasning og få et skarpt billede af prøven.
- Fokuser billedet af prøven gennem et eksternt kamera og spektrometer ved korrekt justere alle optik på påvisning side (dvs. kollimering og fokusering linse) og ved nul bølgelængde få en ren fokuseret billede af prøven på spektrometer CCD.
- Efter påvisning side er sat op, fokusere laseren ned på prøven. Fokus strålen stedet til den mindst mulige størrelse på prøven ved hjælp af en linse. Brug en justerbar diodelaser med en excitation rækkevidde, der indeholder grundtilstanden overgangen energier. Indstil laser hændelse til prøven i en skrå vinkel. En fordel ved skrå forekomst erat det hjælper slippe af med en stor del af det spredte laserlys.
- Excite prøven ved en højere ikke-resonant energi. Optimalt gør dette ved spændende ved en energi under befugtning lag. For InAs / GaAs QDMs i denne undersøgelse svarer det til 75 MeV eller mere over jorden statslige overgange.
- Kør købet spektrum software i fokusering. Scan prøven tværs laserpunktet ved anvendelse af en XY oversættelse fase, som er fastgjort til den kryostat mikroskopi prøven boliger. Gør dette indtil spektrometer CCD fanger de diskrete linjer i jorden-state overgange. Centrer afsløring på en af de QDMs.
Bemærk: Når en QDM er fundet, er det optiske setup afsluttet. For prøverne anvendes grundtilstanden energier er omkring 1.300 MeV. - Generer en bias kort.
- Påfør et potentiale via kilden meter (trin 1.5) forbundet til elektroderne på prøven; dette gælder en forspænding mellem elektroderne igen genererer et elektrisk felt til QDMs.
Bemærk: Bias interval påføres prøven er 0-2 V på tværs af Schottky diode struktur. Dette er, når enheden er i omvendt bias, og det elektriske felt begrænser mængden af afgifter i QDM giver mulighed for de enkelte afgift stater til at være synlige. - Tag individuelle spektre ved forskellige inkrementeres spændingsværdier, afhængig af ønskede opløsning dette normalt spænder fra hundrededele til tusindedele af en volt. Kombiner disse individuelle spektre sammen ved hjælp af en brugerdefineret program (fx LabView).
Bemærk: Programmet kan let kodes ved anvendelse af en bred vifte af forskellige programmer til at kombinere vektoren kolonner af de individuelle spektre i en matrix, i den præsenterede forsøg dette er indføjet for at sy sammen dataene i realtid.- Klik på knappen Kør for at tage en bias kort. Dette tager spektre på et sæt bias og gøre det til en kolonne vektor, tilføjer derefter hver øges skævhed spektre som en anden kolonne.
Bemærk: Dette genererer en data Matrix hvor intensitetsværdierne svarer til PL intensitet, rækker repræsenterer energi / bølgelængde, og kolonnerne svarer til spænding. Den skævhed kortet skal kunne ses, da det køres, således at levende feedback på kvaliteten af dataene.
Bemærk: En skævhed kort er med til at identificere forskellige charge konfigurationer og giver den rette information for at fuldføre opsætningen af både excitation og afsløring stier.
- Klik på knappen Kør for at tage en bias kort. Dette tager spektre på et sæt bias og gøre det til en kolonne vektor, tilføjer derefter hver øges skævhed spektre som en anden kolonne.
- Påfør et potentiale via kilden meter (trin 1.5) forbundet til elektroderne på prøven; dette gælder en forspænding mellem elektroderne igen genererer et elektrisk felt til QDMs.
- Identificer overgangen, der vil blive begejstret. Bemærk energien af overgangen og bias af interesse.
- På dette tidspunkt beslutte, hvordan laseren excitation vil blive tilpasset gennem overgangen. Der er tre forskellige muligheder for at få laseren til at ophidse ind grundtilstanden overgang:
- Tune overgangen energi ved temperatur. 18
- Brug Stark skift af overgangen for at opnå resonans med laserenergien. 19
Bemærk: En god funktion af de to ovennævnte jeg metoders, at en justerbar laser kilde ikke er nødvendig, da QDM overgangene er tunet gennem et fast laser energi. - Alternativt kan du bruge en justerbar laser kilde, stepping laser energier gennem overgangen. Et detekteringssignal vil være til stede, når laseren er resonant med overgangen, dette giver målingen sin laser begrænset spektral opløsning. Dette vil være i fokus for resten af protokollen.
- På dette tidspunkt beslutte, hvordan laseren excitation vil blive tilpasset gennem overgangen. Der er tre forskellige muligheder for at få laseren til at ophidse ind grundtilstanden overgang:
- Med overgangen identificeret og de eksperimentelle parametre indstillet, skal du vælge både excitation og afsløring energier for måling.
- Vælg excitationsenergien som den for overgangen. Vælg påvisning som den exciterede overgang energi minus energien af den langsgående optiske (LO) phonon forbundet med halvleder legering. Ved hjælp af disse værdier, skal du vælge den korrekte kant pass filtre til måling; de skal have cutoffs i mellem excitation og afsløring energier.
Bemærk: For experimEntal resultater præsenteret, den drevne overgang var den neutrale grundtilstand exciton vist i figur 3, observeret ved 1,301.7 MeV og -1 LO phonon emission er placeret på 1266 MeV, svarende til 952,5 nm og 979,3 nm. Vi bruger derfor en 960 nm kort pass filter for excitation og et 960 nm lang pass filter til påvisning. Interferens cut-off filtre er ideelle til dette formål, da de kan indstilles ved at justere vinklen.
- Vælg excitationsenergien som den for overgangen. Vælg påvisning som den exciterede overgang energi minus energien af den langsgående optiske (LO) phonon forbundet med halvleder legering. Ved hjælp af disse værdier, skal du vælge den korrekte kant pass filtre til måling; de skal have cutoffs i mellem excitation og afsløring energier.
- Indstil laser til at excitere ved overgangen energi af interesse, hvilket gøres ved blot at indtaste den ønskede laser bølgelængde værdi i det relevante inputfelt på frontpanelet af laseren kontrol software.
- Indstil midt bølgelængde til den forudbestemte værdi at overvåge -1 LO foton emission ved at indtaste den ønskede center bølgelængde værdi i det relevante indtastningsfelt på frontpanelet af spektrometer kontrol software.
Bemærk: -1 LO foton emission for InAs / GaAs er ca.oximately 36 MeV under exciton overgang, der vil blive begejstret. - Brug af kameraet software, starte samling med CCD ved at køre købet spektrum software i kontinuerlig tilstand ved at klikke på knappen fokusering. En signal skal være synlig eller kunne stadig være skjult af laser scatter.
- Maksimere signalet. KRITISK STEP: Tune excitation kort pass filter, med lidt justere dens vinkel, så det har den rette bølgelængde cutoff.
Bemærk: Den optimale vinkel er etableret ved at overvåge signalet, mens justering af vinklen af den korte pass filter. Ved at ændre vinklen af filteret Ændrer afskæringsbølgelængde. Det centrale er at sikre, at så meget laserlys som muligt undertrykkes fra samlingen.
3. Quasi-resonans Måling Setup
- Sæt eksperimentelle parametre på computeren kontrol ved hjælp af brugerdefineret software hovedskærm. For at gøre dette, starte indsamlingen program og klik på the Step Polarisering, Temp, eller fanen WL. Dette sætter alle de eksperimentelle værdier og når køre, indsamler data gennem de forskellige parametre.
Bemærk: Til vores eksperiment data tager alle computer kontroller blev skik programmeret. Nøglen er at have en software eller programmere i stand til at indstille centrum bølgelængde spektrometer, kontrollere CCD og kilde meter, og trin laser energi gennem overgangen samtidig med at indsamle en række spektre på forskellige fordomme.- Input den etablerede laserenergien rækkevidde, at laseren vil scanne gennem: fra ca. 50 μeV over det neutrale exciton overgang energi af 1,301.7 MeV til 50 μeV nedenfor. Indstil den indledende Bølgelængde for at starte scanning ved brug af "Ønsket WL (nm)" feltet. Sæt enden vifte af laser til at scanne over ( "End Motor Unit").
- Indstil bias rækkevidde, at kilden meter vil scanne gennem ved at klikke på fanen "Spænding Indstillinger". Indstil start skævhed value ( "Spænding Start (V)"), i slutningen skævhed værdi "Spænding End (V)", og den skævhed trin størrelse "Spænding Trin (V)." Her, bias interval scannet 1,68 til 1,82 V.
- Input integrationen tid vælges ved at klikke på fanen "Kameraindstillinger". Indstil integrationstiden for CCD under "Exposure (er)" (Se trin 3.3). Vælg en rimelig integrationstid for CCD. Eksperimenter med integrationen tid til at få et godt signal. Jo større integrationstiden den bedre signal gennemsnitsberegning, der er opnåelige. 20
Bemærk: Integration gange anvendt til forsøget var 10 sek. Men kan integrationstider være så lav som 0,5 sek, afhængigt af styrken af PL-signalet. Til tider er det ikke engang nødvendigt at se signalet i individuelle scanninger men ved syning spektrene sammen data summation plus evnen af øjet at interpolere vil afsløre overgangene i fotoluminescens excitation (PLE) kort.
4. Data Acquisition
- Når de eksperimentelle parametre er etableret begynde forsøget. Start samling ved at klikke på knappen Kør.
Bemærk: Ved hver laserenergien af softwaren varierer forspændingen tager et spektrum og en baggrund spektrum. Dette gøres for hvert skævhed trin. Derefter laserenergien er varieret og processen fortsætter, indtil hele området valgte er fuldført. - Post-proces dataene.
- Tag de ekstra baggrundsscanningerne, der tages i slutningen af hver skævhed kort og trække gennemsnittet fra hver af bias kolonner. Brug en baggrund subtraktion program, eller skrive et program, der tager baggrunden kolonner, gennemsnit dem sammen og trække dette gennemsnit baggrund spektre fra hver skævhed kolonne i data matrix. Bemærk: Se Supplerende Code File for det program, der bruges i vores laboratorium.
Bemærk: Dette fjerner andre falske signaler skyldes nogen resterende spredt laserlys, i høj grad imbevise bias kort.
- Tag de ekstra baggrundsscanningerne, der tages i slutningen af hver skævhed kort og trække gennemsnittet fra hver af bias kolonner. Brug en baggrund subtraktion program, eller skrive et program, der tager baggrunden kolonner, gennemsnit dem sammen og trække dette gennemsnit baggrund spektre fra hver skævhed kolonne i data matrix. Bemærk: Se Supplerende Code File for det program, der bruges i vores laboratorium.
- Analyser af data.
- For eksempel, at udtrække de karakteristiske parametre for den spektrale linje bruge en matematisk fitting software til at køre en Lorentz montering på hvert skævhed skive af PL kortet. 21 Når montering er afsluttet alle oplysninger vil være i koefficienterne af beslaget sådan som den maksimale intensitet, spektral placering og FWHM.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Resultaterne præsenteret i figurerne viser mulighederne i anvendelse af fononer for at hjælpe med PL målingen høj opløsning. Den skematiske (figur 2) viser, at med undtagelse af kant pass filtre på både excitation og detektion, forsøgsopstillingen forbliver en standard spektroskopi setup, med eventuel tilsætning af polarisering kontrol. Sammenligning med et enkelt og tredobbelt spektrometer (figur. 3) skildrer phonon-assisteret metodens stor forbedring til opløsning. Det anisotropiske eh opsplitning vises tydeligt giver mulighed for nøjagtige målinger af opdelingen (figur 4). Fremgangsmåden tillader også en mulighed for nemt at gøre levetid begrænset linjebredde målinger af QD overgange (figur 5). Montering toppene med Lorentz funktioner fuldender analyse af data; ekstrapolering fra passer, er det muligt at udvinde både opdelingen og fuldbredde halvt maksimum. Endvidere kan denne quasi-resonans-teknik inkorporeres med en tredobbelt spektrometer i triple subtraktiv tilstand (figur 1) til at overvåge overgange inden for 0,5 MeV.
Figur 1. Akustisk-Phonon-Assisted Måling. Capabilities af kvasi-resonans spektroskopi teknik. (A) Peak intensitet grundtilstanden neutral exciton af en QDM som set i PL. Den røde linje angiver kvasi-resonans excitation. (B) PL i halen af exciton overgang som overgangen er tunet i resonans med laseren. Ved hjælp af en tredobbelt spektrometer i triple subtraktiv tilstand er excitation og påvisning adskilt af mindre end 1 MeV. (C) Opsummerede kvasi-resonant PL fra (B), der forestiller resolution af funktioner i anisotrope eh udveksling splitti ng og levetiden begrænset linewidth af overgangen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Eksperimentel opsætning Skematisk. Skematisk fremstilling af den simple spektrometer setup, der anvendes til de LO-Phonon-assisteret målinger. Angivelser er afstemmelige diodelaser, både lang-pass (LP) og korte-pass (SP) filtre til tuning regionen påvisning, mikroskopobjektivet (MO), den spektrometer, og flydende nitrogen afkølet CCD. De stiplede bokse på både excitation og detektion repræsenterer de valgfrie komponenter i en variabel retarder (VR) og polarisatorer (Pol), der er nødvendige for polarisering målinger.ank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Spectral resolution Sammenligning af Three PL-baserede metoder Eksempel på den opnåelige opløsning ved hjælp af forskellige metoder.; i A og B, spektrometrets gitterværk og CCD pixel bredde begrænse opløsningen. (A) Neutral exciton overgang som løses af en enkelt spektrometer med ikke-resonant excitation omkring 918 nm. Den spektrale opløsning er omkring 26 μeV per pixel og er for stor til at kunne skimte anisotrope eh udveksling opdelingen. (B) Den samme spektrale område som i (A) med ikke-resonant excitation, men med spektrometer sat i triple additiv-mode, hvor opløsningen er 10 μeV. (C) Neutral exciton overgang som løses ved hjælp af phonon satellit in denne kvasi-resonant phonon-assisteret spektroskopi metode. De to toppe er godt løst, og fit af en dobbelt Lorentz-funktion, som giver en anisotropisk eh udveksling opdeling på 23,3 ± 0,1 μeV. De udtrukne FWHM værdier for lavere og højere energipriser toppe er 7,3 ± 0,1 μeV og 9,6 ± 0,4 μeV henholdsvis. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. PL Kort over et QDM og associerede Phonon-assisteret Measurement. (A) Regelmæssig opløsning skævhed kort over QDM under ikke-resonant excitation. Den skævhed Kortet viser emission fra den neutrale direkte (X0) og indirekte (iX0) exciton, samt den positive Trion (X +). Også forspændingen ved hvilken laseren er scannet igennem, erangivet med det røde felt på omkring 1,1 V. (B) Høj opløsning PL ved -1 phonon satellit under excitation ved direkte neutral exciton. Overgangen energi blev tilpasset gennem en fast laser energi af 951,657 nm (1,302.824 MeV) ved at træde temperaturen. Den -1 phonon satellit ses at være omkring 36 MeV under nul Phonon linjer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. Bias Kort over Anisotropisk eh Splitting. Bias kort over anisotrope eh udveksling opdeling, centreret ved 1,302.28 MeV. Den skævhed kort blev lavet ved at forøge spændingen anvendes af 2 trin mV ved hver laser energi og træde laser energi 37 gange i hele energiområde, groft skiftende omkring 1,7 &# 181; eV i hvert trin. Gennemsnittet af eh udveksle energi er 25,4 μeV med en standardafvigelse på 0,8 μeV i denne skævhed region. Monteringen af Stark skift vises. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne anerkende Allan Bracker og Daniel Gammon på Naval Research Laboratory for at give prøverne undersøges. Dette arbejde blev støttet (delvis) af Defense Threat Reduction Agency, Basic Research Award # HDTRA1-15-1-0011, på 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).
