Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa

Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• Transmisja fali elektromagnetycznej przez próbkę (płasko-równoległą)
(z uwzględnieniem wielokrotnych odbić i przy założeniu, że
)
może być wyrażona jako:
gdzie R jest współczynnikiem odibicia, a d grubością próbki.
• Dla dużych wartości współczynnika absorpcji wzór ten można uprościć:
• Współczynnik absorpcji dla próbki o dużej grubości lub charakteryzującej się
znaczną absorpcją będzie postaci:
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• Dla cienkich warstw, gdzie występują efekty interferencyjne:
gdzie:
n0 jest współczynnikiem załamania powietrza, n1 badanego ośrodka,
a n2 oznacza współczynnik załamania podłoża.
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• W przypadku braku interferencji oraz dużej absorpcji:
• W ośrodkach przezroczystych współczynnik załamania przyjmuje wartości: 1–4.
• Jednak dla n    1 i długości fali elektromagnetycznej   1μm ,
współczynnik absorpcji osiąga wartość   105 cm 1 i wówczas
na grubości ośrodka d  0.1μm większość promieniowania zostanie
zaabsorbowana.
• W półprzewodnikach o małej koncentracji nośników, zakres energii między
przejściami fononowymi, a krawędzią absorpcji podstawowej, odpowiada
dobrej przezroczystości (   1cm 1 ).
• Wówczas do pomiaru transmisji dla małych wartości energii
(obszar absorpcji fononowej) lub dużych (krawędź absorpcji podstawowej)
należy wykorzystać odpowiednio cienką próbkę.
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• Absorpcja wyznaczana jest z pomiaru transmisji i odbicia, jednak
wyznaczenie jej z pomiaru transmisji dla bardzo dużych wartości
4
1
współczynnika absorpcji (   10 cm ) jest bardzo trudne lub niemożliwe
(wymagałoby wykorzystania struktur o grubości mniejszej niż 1μm ).
• W takich przypadkach wartości n ,  oraz  wyznaczane są
ze współczynnika odbicia za pomocą relacji Kramersa-Kroniga.
• Należy wówczas zwrócić szczególną uwagę na stan powierzchni badanej
próbki, który znaczącą wpływa na otrzymane wartości współczynnika odbicia.
• Gdy   104 cm 1, fala elektromagnetyczna wnika na głębokość mniejszą
niż 1μm i utlenienie powierzchni GaAs na głębokość zaledwie 1 nm zmienia
wartość wysokoenergetycznej części funkcji optycznych do 10 % .
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• Schemat układu do pomiaru transmisji i odbicia (konfiguracja ciemna):
Spektroskopia absorpcyjna i odbiciowa
• Para wodna, absorbująca w obszarze podczerwieni, musi być często usunięta
z układu pomiarowego (przedmuchiwanie suchym powietrzem lub azotem).
• Pomiary w obszarze promieniowania ultrafioletowego (  200 nm ) wymagają
warunków próżni (silne pochłanianie krótkich fal przez powietrze).
• Obok: widmo odbicia (R) i fotoluminescencji (PL)
studni kwantowej In0.1Ga0.9As/GaAs
o szerokości 14 nm.
• W widmie odbicia widoczne są również
przejścia do wyższych stanów, podczas gdy
fotoluminescencja ukazuje emisję
jedynie ze stanu podstawowego.
• Zwiększenie mocy pobudzania może
pozwolić na obserwację emisji również
z wyższych stanów, ale powoduje lokalne
podgrzewanie struktury.