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热点应用丨傅里叶变换光致发光技术(FT-PL)在中红外发光材料测试中的应用
发布:天美仪拓实验室设备(上海)有限公司浏览次数:27中红外发光材料
中红外光致发光(MIR PL)光谱仪(使用激光或其他光源)被广泛应用于半导体和中红外发光材料的表征。MIR光谱范围有一些不同的界定,在实践中,中红外光致发光的研究多集中在2μm~25μm。
主要有两种实验方式来测量PL光谱:色散和非色散。色散仪器在检测器之前,将光色散成单一的波长,通常使用带有衍射光栅的单色仪。PL光谱仪在可见光范围内大都采用这种方式。
非色散仪器的核心是干涉仪而不是单色仪,通常是由傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪升级的PL光谱仪,或傅里叶变换光致发光(FT-PL)光谱仪。干涉仪通过创建和分析两束光之间的干涉图样,一次记录整个光谱。图1说明了色散和非色散PL光谱仪之间的区别。
图1:色散型(基于单色仪)和非色散型(基于干涉仪)PL光谱仪的示意图
大多数PL应用涉及检测可见光,PL光谱仪通常是色散型的(单色仪为基础)仪器。当在MIR范围测量PL时,通常将现有的PL光谱仪与红外检测器和光栅相适应。在这个范围内,FT-PL可以提供更高灵敏度的测试结果,这得益于一系列仪器优势:
1.多重传输优势
非色散型的FT-PL光谱仪,一次收集全部光谱。这种同时检测,降低了噪声(检测器显示高斯噪声(所有红外模拟检测器)),提高了信噪比(SNR)。
2.通量优势
色散型仪器配置狭缝,狭缝的宽度决定仪器的光谱分辨率。不能通过狭缝的光会丢失,从而降低了信噪比。在FT-PL仪器中,分辨率由干涉仪的相对移动长度控制。为了确保光线完全准直,利用Jacquinot孔来决定光斑的大小。这个孔径是圆形的,因此光通量更高,信噪比也更高。
3. 波数优势
FT-PL光谱仪以厘米为单位记录干涉图,傅里叶变换的结果,是一个以厘米倒数(cm-1)为单位的光谱,使用固定的数值(单位为cm-1)记录光谱单元。相比之下,色散仪器直接以波长单位(nm)记录光谱,使用固定的数值(单位为nm)记录光谱单元。固定的Δλ意味着,当扫描到较长波长时,检测到的能量会逐渐变小,信号变弱。
上述优点解释了为什么当测量MIR的PL时,傅里叶变换比色散仪器更受青睐。然而,当前市面上的一些FT-PL光谱仪复杂且昂贵。本文使用FTIR光谱仪(爱丁堡仪器公司IR5)的FT-PL系统,测量MIR光致发光。
01
实验配置
含铒固体样品用爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5进行测量,如图2i。FT-PL升级包括一个激光光源和转向光学系统,以及一个专用的光致发光样品支架(图2ii),和第二检测器(可选)。样品通过2W 980nm激光激发,FT-PL使用液氮冷却InSb检测器检测。在激光关闭的情况下获得光谱,并从原始数据中扣除热背景效应。
图2:FT-PL配置的爱丁堡IR5光谱仪(i);显示激发和发射光束路径的光致发光样品架示意图(ii)
为了进行比较,同一样品的中红外光致发光测试,在配备相同激光光源和InSb检测器的扫描单色仪上进行。
02
测试结果
在IR5中获得的样品FT-PL图谱如图3所示。数据采集使用0.5cm-1的光谱分辨率,平均40个连续光谱信号,获得高信噪比。总采集时间为4分钟。
图3:使用IR5测试得到的铒材料红外光致发光谱图
图4展示了使用色散型PL光谱仪获得的同一样品的中红外PL谱图。图3和图4都显示了未校正的光谱,即数据未校正由于特定波长下的InSb检测器灵敏度或光谱仪组件的吸收带来的光谱变化。可以清楚地看到,图4中的色散型PL光谱仪偏向于较低的波长(详见简介中的波数优势),在中红外区,信噪比低。图4中光谱的采集时间明显较高,为45分钟。
图4:使用色散型PL光谱仪测试得到的铒材料红外光致发光谱图
此测试中,色散型PL光谱仪设置发射侧带宽为5nm,步长为1nm,铒材料样品中的一些较窄发射信号不能被很好地分辨。相比之下,IR5数据提供了更好的光谱分辨率和更高的数据(信号)密度,如图5所示。
图5:PL光谱的对比(IR5(绿色)和色散型PL光谱仪(红色)
03
结 论
傅里叶变换红外光谱仪IR5的FT-PL测试,仅使用色散型PL光谱仪所用时间的一小部分,就可以得到高质量的MIR光致发光数据。除了显著地节约测试时间,将样品暴露在激发激光下较短的时间,可以极大地减少样品的光损伤,以及中红外光致发光中经常遇到的热背景干扰。
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2024-08-13 -
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