(c) 2010 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen 4. Optische Spektroskopie I 1 Inhalt – Absorption, Reflexion, Transmission – Messaufbau: Spektrophotometer – Absorptions- und Lumineszenzphänomene – Reflexionsmessungen – zeitaufgelöste Messungen Materials for Electronics and Energy Technology transmittiertes Streulicht reflektiertes Streulicht Lumineszenz etc. Lumineszenz etc. direkt reflektiertes Licht Werkstoff/ Material einfallendes Licht Reflexion Transmission Absorption direkt transmittiertes Licht
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4. Optische Spektroskopie I
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
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A: Eintreffendes LichtB: EingangsspaltC: Erster LinsenspiegelD: drehbares Beugungsgitter
(geritzt oder holographisch)E: Zweiter LinsenspiegelF: AusgangsspaltG: Austretendes Licht
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4. Optische Spektroskopie I
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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4. Optische Spektroskopie I
Absorptions- und Lumineszenzphänomene
Energy
0
Egconduction band
valence band
Optische Absorptionsspektren zeigenenergetische Übergänge in der Bandlücke.
fundam
enta
leA
bso
rptio
n e+h
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4. Optische Spektroskopie I
Absorptions- und Lumineszenzphänomene
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
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llenlu
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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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4. Optische Spektroskopie I
Absorptions- und Lumineszenzphänomene
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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4. Optische Spektroskopie I
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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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!