中紅外發(fā)光材料

中紅外光致發(fā)光（MIR PL）光譜儀（使用激光或其他光源）被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和中紅外發(fā)光材料的表征。MIR光譜范圍有一些不同的界定，在實踐中，中紅外光致發(fā)光的研究多集中在2μm~25μm。

主要有兩種實驗方式來測量PL光譜：色散和非色散。色散儀器在檢測器之前，將光色散成單一的波長，通常使用帶有衍射光柵的單色儀。PL光譜儀在可見光范圍內(nèi)大都采用這種方式。

非色散儀器的核心是干涉儀而不是單色儀，通常是由傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀升級的PL光譜儀，或傅里葉變換光致發(fā)光（FT-PL）光譜儀。干涉儀通過創(chuàng)建和分析兩束光之間的干涉圖樣，一次記錄整個光譜。圖1說明了色散和非色散PL光譜儀之間的區(qū)別。

圖1：色散型（基于單色儀）和非色散型（基于干涉儀）PL光譜儀的示意圖

大多數(shù)PL應(yīng)用涉及檢測可見光，PL光譜儀通常是色散型的（單色儀為基礎(chǔ)）儀器。當(dāng)在MIR范圍測量PL時，通常將現(xiàn)有的PL光譜儀與紅外檢測器和光柵相適應(yīng)。在這個范圍內(nèi)，F(xiàn)T-PL可以提供更高靈敏度的測試結(jié)果，這得益于一系列儀器優(yōu)勢：

1.多重傳輸優(yōu)勢

非色散型的FT-PL光譜儀，一次收集全部光譜。這種同時檢測，降低了噪聲(檢測器顯示高斯噪聲(所有紅外模擬檢測器))，提高了信噪比（SNR）。

2.通量優(yōu)勢

色散型儀器配置狹縫，狹縫的寬度決定儀器的光譜分辨率。不能通過狹縫的光會丟失，從而降低了信噪比。在FT-PL儀器中，分辨率由干涉儀的相對移動長度控制。為了確保光線完全準(zhǔn)直，利用Jacquinot孔來決定光斑的大小。這個孔徑是圓形的，因此光通量更高，信噪比也更高。

3. 波數(shù)優(yōu)勢

FT-PL光譜儀以厘米為單位記錄干涉圖，傅里葉變換的結(jié)果，是一個以厘米倒數(shù)(cm-1)為單位的光譜，使用固定的數(shù)值（單位為cm-1）記錄光譜單元。相比之下，色散儀器直接以波長單位(nm)記錄光譜，使用固定的數(shù)值（單位為nm）記錄光譜單元。固定的Δλ意味著，當(dāng)掃描到較長波長時，檢測到的能量會逐漸變小，信號變?nèi)酢?/p>

上述優(yōu)點解釋了為什么當(dāng)測量MIR的PL時，傅里葉變換比色散儀器更受青睞。然而，當(dāng)前市面上的一些FT-PL光譜儀復(fù)雜且昂貴。本文使用FTIR光譜儀(愛丁堡儀器公司IR5)的FT-PL系統(tǒng)，測量MIR光致發(fā)光。

01 實驗配置

含鉺固體樣品用愛丁堡傅里葉變換紅外光譜儀IR5進(jìn)行測量，如圖2i。FT-PL升級包括一個激光光源和轉(zhuǎn)向光學(xué)系統(tǒng)，以及一個專用的光致發(fā)光樣品支架(圖2ii)，和第二檢測器（可選）。樣品通過2W 980nm激光激發(fā)，F(xiàn)T-PL使用液氮冷卻InSb檢測器檢測。在激光關(guān)閉的情況下獲得光譜，并從原始數(shù)據(jù)中扣除熱背景效應(yīng)。

圖2：FT-PL配置的愛丁堡IR5光譜儀(i)；顯示激發(fā)和發(fā)射光束路徑的光致發(fā)光樣品架示意圖(ii)

為了進(jìn)行比較，同一樣品的中紅外光致發(fā)光測試，在配備相同激光光源和InSb檢測器的掃描單色儀上進(jìn)行。

02 測試結(jié)果

在IR5中獲得的樣品FT-PL圖譜如圖3所示。數(shù)據(jù)采集使用0.5cm-1的光譜分辨率，平均40個連續(xù)光譜信號，獲得高信噪比?？偛杉瘯r間為4分鐘。

圖3：使用IR5測試得到的鉺材料紅外光致發(fā)光譜圖

圖4展示了使用色散型PL光譜儀獲得的同一樣品的中紅外PL譜圖。圖3和圖4都顯示了未校正的光譜，即數(shù)據(jù)未校正由于特定波長下的InSb檢測器靈敏度或光譜儀組件的吸收帶來的光譜變化?？梢郧宄乜吹?，圖4中的色散型PL光譜儀偏向于較低的波長(詳見簡介中的波數(shù)優(yōu)勢)，在中紅外區(qū)，信噪比低。圖4中光譜的采集時間明顯較高，為45分鐘。

圖4：使用色散型PL光譜儀測試得到的鉺材料紅外光致發(fā)光譜圖

此測試中，色散型PL光譜儀設(shè)置發(fā)射側(cè)帶寬為5nm，步長為1nm，鉺材料樣品中的一些較窄發(fā)射信號不能被很好地分辨。相比之下，IR5數(shù)據(jù)提供了更好的光譜分辨率和更高的數(shù)據(jù)（信號）密度，如圖5所示。

圖5：PL光譜的對比（IR5（綠色）和色散型PL光譜儀（紅色）

03 結(jié) 論

傅里葉變換紅外光譜儀IR5的FT-PL測試，僅使用色散型PL光譜儀所用時間的一小部分，就可以得到高質(zhì)量的MIR光致發(fā)光數(shù)據(jù)。除了顯著地節(jié)約測試時間，將樣品暴露在激發(fā)激光下較短的時間，可以極大地減少樣品的光損傷，以及中紅外光致發(fā)光中經(jīng)常遇到的熱背景干擾。