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Fotoluminescenza

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Descrizione dell'applicazione

La fotoluminescenza è una tecnica comune usata per caratterizzare le proprietà optoelettroniche di semiconduttori e altri materiali. Il suo principio è semplice: gli elettroni sono eccitati dalla banda di valenza a quella di conduzione del materiale da un laser con un'energia maggiore del band gap. Di conseguenza, i portatori di carica fotoeccitati si rilassano e si ricombinano spontaneamente con le lacune nella banda di valenza. Nel caso dei semiconduttori diretti, l'energia in eccesso viene emessa sotto forma di luce (emissione spontanea). Analizzando lo spettro della luce emessa, è possibile misurare la risposta del materiale in termini di intensità in funzione della lunghezza d'onda. Questo dà accesso a informazioni sulla struttura a bande del materiale - la larghezza del band gap, l'efficienza relativa di generazione della luce, la qualità del materiale (allargamento disomogeneo), ecc. Ulteriori informazioni possono essere ottenute controllando l'ambiente in cui si trova il campione, per esempio aggiungendo un campo magnetico o cambiando la temperatura del campione.

Strategie di misura

Photoluminescence Application Setup using the Zurich Instruments MFLI Lock-in Amplifier

La figura illustra un esperimento base di fotoluminescenza: la luce di un laser a onda continua (CW) è modulata da un chopper ottico (o un altro dispositivo di modulazione della luce) fino a pochi kHz. Il fascio modulato illumina il campione, eccitando gli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione. L'emissione spontanea dal campione viene raccolta e inviata a un monocromatore o a uno spettrometro per misurare l'intensità della luce in funzione della lunghezza d'onda. Dato che anche la luce laser viene raccolta e presenta solitamente un'intensità molto più elevata, è buona norma usare dei filtri ottici per bloccarla.

La luce ambientale può interferire seriamente con questo tipo di misura, specialmente negli esperimenti 'aperti' su un banco ottico. Per questo motivo ha senso modulare e misurare la luce laser e la luce emessa con un amplificatore lock-in: ciò permette di escludere al massimo le componenti di luce spuria.

Perché scegliere Zurich Instruments

Con la sua larghezza di banda in ingresso di 500 kHz che copre le frequenze di modulazione più comuni, l'amplificatore lock-in MFLI è ideale per gli esperimenti di fotoluminescenza:

  • Lo MFLI ha un livello di rumore in ingresso molto basso pari a 2.5 nV/√Hz, il ché permette di misurare segnali molto piccoli nei vostri spettri pur assicurando tempi di integrazione ragionevoli.
  • LabOne® dispone di strumenti come il Plotter, che visualizza la traccia temporale dell'ampiezza del segnale per assistervi durante l'allineamento del fascio laser.
  • Collegandolo a una rete wireless, lo MFLI può essere controllato anche attraverso un tablet o uno smartphone: potete portare la traccia temporale con voi ovunque si trovino i controlli di allineamento.
  • I demodulatori veloci vi permettono di misurare transienti brevi.
  • Grazie all'ingresso di corrente con 8 livelli di guadagno è possibile misurare direttamente la corrente fotogenerata dai fotodiodi senza bisogno di un amplificatore di transimpedenza intermedio.
  • Il trasferimento rapido di dati digitali attraverso le connessioni USB o GbE fa sì che non sia necessaria una scheda di digitalizzazione per registrare i risultati di misura. I dati possono essere consultati e registrati nell'interfaccia utente LabOne o attraverso le interfacce di programmazione disponibili (per Python, C, MATLAB®, LabVIEW™ e .NET).
  • Il fattore di forma compatto dello MFLI lo rende facile da aggiungere al vostro apparato di misura.

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Publications

Cheng, Y. et al.

Luminescence quantum yields of goldnanoparticles varying with excitation wavelengths

Nanoscale 8, 2188 (2016)

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