1 4. Optische Spektroskopie I - ikz-berlin.debickermann/uni/scriptum/mess4.pdf · Optische Spektroskopie I 1 Inhalt – Absorption, Reflexion, Transmission – Messaufbau: Spektrophotometer

(c) 2010 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen

4. Optische Spektroskopie I1

Inhalt– Absorption, Reflexion, Transmission

– Messaufbau: Spektrophotometer

– Absorptions- und Lumineszenzphänomene

– Reflexionsmessungen

– zeitaufgelöste Messungen

Materials for Electronics and Energy Technology

transmittiertes Streulichtreflektiertes Streulicht

Lumineszenz etc. Lumineszenz etc.

direkt reflektiertes Licht

Werkstoff/Material

einfallendes

Licht

Reflexion Transmission

Absorption

direkt transmittiertes Licht


2


Werkstoff/Material

einfallendes

Licht

Wellenlänge = hEnergie: E = hc/

� �

�

4. Optische Spektroskopie I

Absorption, Reflexion, Transmission


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reflektiertes Streulichtdirekt reflektiertes Licht

Werkstoff/Material

einfallendes

Licht

Reflexion R Transmission T

Absorption A

Ursache der Reflexion:

Ursache der Absorption:

Unterschiedlicher Brechungsindex n( )zwischen Material und Luft (n=1)!

Abhängigkeit vom Einfallswinkel

Wechselwirkungen im Material (Intensitätsverlust)

�

� möglichst nur senkrechter Einfall

T + R + A = 1T, R, A in Prozent der Intensität des einfallenden Lichts:

transmittiertes Streulicht

Ursache des Streulichts: Unebenheiten an den Oberflächen




4



reflektiertes Streulichtdirekt reflektiertes Licht

Werkstoff/Material

einfallendes

Licht


Absorption A

transmittiertes Streulicht

– = e = – – ln (I/I )

Lambert-Beer’sches Gesetz:

T = I/I wird mit dem gemessen ( ),d ist die Dicke der Probe.

� �

Spektrophotometer Problem: Streulicht

– d�II0

1d 0

0

Absorption bei senkrechtem Durchgang durch eine homogene, planparallele Platte:

� ist ein Materialparameter [cm ](natürlich wellenlängenabhängig!)

–1

Problem: Reflexion bleibt unberücksichtigt!




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vorwärts-reflektiertes Lichtrückwärts-reflektiertes Licht

direkt reflektiertes Licht

Werkstoff/Material

einfallendes

Licht

Absorption A

Reflexion: Liefert in Wirklichkeit Anteile am transmittierten UND amreflektierten Strahl geometrische Reihe�


Physikalisch ist der Vorgang noch komplizierter(komplexe dielektrische Konstante, Fabry-Perot-Oszillationen usw.)

meist wird die Reflexion (und das Streulicht) vernachlässigt.�





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Aubau eines Spektrophotometers:

(Lampe – Monochromator – Probe – Detektor)

Referenzstrahl: Messung der Intensität ohne Probe

Mono-chromator Detektor

Spiegel- Strahl-chopper sammler

Spiegel Probe Spiegel

Filter-rad

Licht-quelle

200 400 600 800 nm

350 1000 1500 2000 2500 nm

Spektrum Deuteriumlampe

Spektrum Wolframlampe

Nutzbares Spektrum max. 170–4000 nm– UV: Deuteriumlampe + Photomultiplier/Si-Diode– VIS: Wolframlampe + Photomultiplier/Si-Diode– IR: Wolframlampe + InGaAs-Diode (bis 1600 nm)

oder PbS-Schirm (bis 3500 nm)


Messaufbau: Spektrophotometer


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Messaufbau: Spektrophotometer

Wellenlängenselektion:

– Höhere Linienzahl größere Aufspaltung (geringere Intensität)– Nullte Ordnung: Gitter wird zum Spiegel bei = 0– Höhere Ordnungen: Auch /n-Anteile (Ausfiltern z.B. durch Filterrad)

Monochromatoren

�

�

�

A: Eintreffendes LichtB: EingangsspaltC: Erster LinsenspiegelD: drehbares Beugungsgitter

(geritzt oder holographisch)E: Zweiter LinsenspiegelF: AusgangsspaltG: Austretendes Licht


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Absorptions- und Lumineszenzphänomene

Energieniveaus (und ggf. Konzentrationen) bestimmen von

– Phononen, Exzitonen– flachen Störstellen

– tiefen Störstellen

– Bandlücke

– höheren Bändern

– inneren Elektronenchemische Analyse(Kapitel 6)

�

10 meV 100 µm

100 meV 10 µm

1 eV 1 µm

10 eV 100 nm

100 eV 10 nm

1 nmE �

Es werden immerÜbergänge zwischenZuständen betrachtet!

Meist wird in Referenzzur Leitungsbandkantegemessen (Rekombinationvon Elektronen), derBereich der Bandlückeist also besondersinteressant!

IR

VIS

UV

(Wellenlänge) (Intensität)

Rön

tgen

TH

z

Anwendungsgebiete:


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Energy

0

Egconduction band

valence band

Optische Absorptionsspektren zeigenenergetische Übergänge in der Bandlücke.

fundam

enta

leA

bso

rptio

n e+h

exz

itonis

che

Abso

rptio

n

Abso

rpt.

tiefe

rS

törs

telle

n

reso

nante

Anre

gung

(z.B

.m

ithöhere

mLeitu

ngsb

and)

Stö

rste

llenum

ladung

/In

trasc

hale

nüberg

änge

Photo

ionis

atio

n(f

lach

er

Stö

rste

llen)

Abso

rptio

nfr

eie

rLadungst

räger


10




GaN, 240°C, 60 min. GaN, 380°C, 2 min

Lumineszenz: Emission von Licht durch Rekombinationvon Ladungsträgern, die in vorhergehender Anregung entstanden sind.

Energy

0

Egconduction band

valence band

Bandka

nte

n-L

um

inesz

enz e+h

exz

itonis

che

Lum

inesz

enz

Stö

rste

llenlu

min

esz

enz

Ext

rinsi

che

Lum

inesz

enz/

Intr

asc

hale

nüberg

änge

Donato

r-A

kzepto

r-Ü

berg

.

– Anregungsenergie >Lumineszenzenergie

–(Effizienz?!)

nur strahlende Rekom-bination

Unterschiede zuroptischen Absorption:

– Anregungs- und Rekom-binationspfade nurteilweise gleich!

– Relaxation zur Band-kante führt zu scharfenBanden (niedrige Temp.)

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Lumineszenzmethoden: unterschiedliche Art der Anregung!

– Photolumineszenz (Licht)

– Röntgenlumineszenz

– Kathodolumineszenz (Elektronen, z.B. im REM oder TEM)

– Elektrolumineszenz (Anlegen einer Spannung)

– Thermolumineszenz (z.B. Aufheizen)

– Chemolumineszenz (Reaktionsenthalpie)

– Tribo-/Sonolumineszenz (Reibung/Schall)

– ...

} auch nichtleitfähige Proben!

industrielle Anwendungfür Beleuchtungszwecke

Typischerweise Anregung über die Bandlücke(Generation von Elektron-Loch-Paaren)

hohe Absorption, geringe Eindringtiefe, daher Messung in Reflexion�

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Reflexionsmessungen

Bestimmung des absorbierenden Anteils über Reflexion bei stark absorbierendenSchichten (oder Schichten auf stark absorbierenden Substraten)

Mono-chromator

Dete

ktor

Strahl-sammler

Filter-rad

Licht-quelle

Dete

ktor

Dete

ktor

ProbeProbe

Probe

Ulbricht-Kugel

90°-Anordnung 45°-Anordnung diffuseReflexion

Referenzmessung: Spiegel (Ulbrichtkugel: Weißstandard) an Stelle der Probe

Auswertemöglichkeiten:– Abweichung des Brechungsindex bei elektronischen Übergängen (Bandkante)– Rückrechnen von der Vielfachreflexion auf den transmittierten Anteil– Bestimmung von n( ) und ( ) aus Transmissions- und Reflexionsmessung� � �

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– Messung bei tiefenTemperaturen (Kryostat)

– Laser vor Monochromator-eingang ausfiltern!

– Referenzsignal überChopper/Lock-In-Verstärker(gutes Signal-Rausch-Verhältnis)

Typischer Photolumineszenz (PL)-Aufbau:

– Anregung mittels Laser(hohe Anregungsdichte)

– Lumineszenz sammeln überLinsen (höhere Intensitätdes Lumineszenzsignals)

– auch als Mikroskopaufbau

Reflexionsmessungen13



zeitaufgelöste Messungen

Lumineszenz als Folge der Anregung:Abklingkurven

– gibt Aufschluss über Rekombinations-mechanismen und -geschwindigkeiten(z.B. Ladungstransfer, Anteil an nicht-strahlender Rekombination etc.)

– Problem: sehr kurze Lebensdauerns-Auflösung oder besser nötig�

PL

Inte

nsi

tät

Laserpuls (Anregung)PulsdauerPL Leuchtstoff 1PL Leuchtstoff 2

– Wichtig: Verlauf der Abklingkurve(exponentiell, hyperbolisch ,...)

Bestimmung von Exzitonen-Lebensdauern und Zerfalls-zeiten von angeregten Zuständen

Gleicher Aufbau wie PL/CL, aber(1) gepulste Anregung

(z.B. Excimerlaser, Stroboskop,electron beam blanking),

(2) Aufnahme des zeitlichen Abklingensbei fester Wellenlänge

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zeitaufgelöste Messungen

Detektion der Abklingkurven:

– Oszilloskop– Streak-Kamera– Boxcar-Verfahren

– Modulationsspektroskopie

Direkt (”Zeitdomäne”)

Indirekt (”Frequenzdomäne”)

Frequenz [Hz]

Phase

nve

rsch

iebung

� = 1 ms

Boxcar Averaging:Integration derLumineszenz inbestimmtenMessintervallen;Vergleich derDifferenzen zwi-schen diesenMessungen

Phasensensitive Detektion:Bestimmung der Relaxationszeitaus dem Phasenwinkel .Nichtexpontielle Verläufe könnendurch Variation der Modulations-frequenz f ermittelt werden.

Man kann heute Lampen (z.B.Xe)mit bis zu 20 ps modulieren!

�

�

1000/2�

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