光激發螢光光譜

3.2.1 發光機制

光激發螢光(Photoluminescence，PL)是材料吸收光子後產生電子電洞對，而電子從 較高能態躍遷至較低能態之輻射復合(radiative recombination)，並放出光子的過程，可用 來檢測半導體材料的發光特性。光激發螢光可以得到材料的能階結構以及載子的躍遷行 為，是一種非破壞性的分析技術。藉由分析螢光光譜可以得知材料的發光強度、發光波 段、摻雜的雜質種類以及材料結構的品質等等。

半導體之光激發螢光過程如圖 3-5。當材料吸收入射光子的能量，當入射光子的能 量要高於半導體的能隙時，價電帶(valence band)的電子會因為獲得了入射光子的能量而 躍遷至導電帶(conduction band)，在價電帶留下電洞而形成了電子電洞對(electron-hole pair)，接著藉由聲子的作用，電子與電洞會釋放部分能量而分別到導電帶與價電帶能量 最低的地方，然後電子電洞對會產生輻射復合而發出螢光。

圖 3-5 光激發螢光機制

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3.2.2 光激發螢光光譜(photoluminescence，PL)量測系統

光激發螢光光譜量測系統之實驗架設如圖 3-6。我們使用的激發光源為氬離子雷射 (Argon laser)，波長為 488 nm，利用反射鏡(mirror)以及透鏡(lens)將雷射光聚焦在待量測 的樣品上，被雷射激發的樣品產生電子電洞對，而電子電洞對復合後發出螢光，再透過 另一面透鏡將樣品發出的螢光聚焦進光譜儀的狹縫中，經過光譜儀內的光柵(grating)分 光後，再由連接在光譜儀出口端的 InGaAs 偵測器接收訊號，並且將訊號傳到電腦後便 可得到光激發螢光光譜。

實驗裝置如下：

1. 氬離子雷射(Argon laser)：波長為488 nm，作為激發樣品的光源。

2. 光衰減片(neutral density filter)：用來調整雷射光的激發強度。

3. 斷波器(chopper)以及鎖相放大器(lock-in amplifier)：將斷波器輸出的參考頻率輸 入至鎖相放大器，而雷射光源也會變成周期性光源來激發樣品，使得樣品發出 的螢光也帶有周期性訊號並輸入至鎖向放大器中，鎖相放大器便能將帶有此周 期的訊號放大，以及將非此周期訊號的雜訊過濾。

4. 致冷座(cryostat)：有降溫功能，可使樣品從13 K至室溫下之溫度範圍進行量測。

5. 光譜儀(monochromator)：內部的光柵可進行分光，光柵的解析度為1200 gr/mm，

焦距55 cm。

6. 偵測器(detector)：配合待測樣品的發光波長，我們選擇InGaAs的材料偵測樣品的 訊號，InGaAs的響應範圍約在750 nm~1750 nm，並且使用電子式冷卻系統 (thermal-electric cooled)來進行降溫，可得到較好的偵測效率。

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圖3-6 光激發螢光之實驗架設

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3.2.3 磁場光激發螢光光譜(Magneto-photoluminescence)量測系統

在磁場下的光激發螢光光譜實驗架設如圖 3-7。我們使用的激發光源為摻鈦藍寶石 雷射(Ti：Sapphire laser)，是一種固態可調雷射，輸出波長範圍約在 700 nm~1000 nm。

量測選擇的波長為 750 nm (1.65 eV)，是因為入射的能量要大於砷化鎵的能隙(約 1.5 eV)，

如此一來，才可在砷化鎵的材料上激發出更多電子電洞對，再藉由聲子的作用釋放部分 能量而到量子點的能階上復合並且發出螢光。為了看到量子點在激發態的發光，因此需 要高激發功率，而雷射波長在 750 nm 時的平均功率約為 1 W，所以選用摻鈦藍寶石雷 射為激發光源。雷射光輸出後，透過物鏡聚焦將光導進光纖，經由光纖傳輸的雷射光在 打到樣品之前會透過一個小聚焦鏡聚焦，如此一來可使雷射光打到樣品時的聚焦點縮小 約為 2 mm，以增加雷射光的激發密度，可以看到量子點在激發態的發光。打入的雷射 激發樣品產生電子電洞對，而電子電洞對復合後發出來的螢光，會被另一條光纖收集起 來並且傳輸至光纖的另一端，然後再經由兩面透鏡使光變平行再聚焦後導入光譜儀上，

經過光譜儀解析後再經由熱電冷卻的 InGaAs 偵測器接受以及訊號的轉換，便可得到光 激發螢光的光譜。

因為要在低溫減少熱擾動以及外加高磁場，必須使用杜瓦瓶(Dewar flask)來進行實 驗。我們使用的是Oxford公司的 variable temperature insert (VTI)系統，另外利用幫浦抽 走He⁴氣體，隨著壓力下降的同時，可使量測溫度從原本液氦溫度(4.2 K)降到1.4 K，超 導磁鐵可提供均勻磁場範圍為0 T到14 T。為了維持長時間的低溫運作，磁場系統的正中 間為放置樣品的真空層，向外依序為放置磁鐵的液態氦冷卻層、液態氮冷卻層以及真空 隔絕層，如此可降低液態氦的揮發速率。樣品位置必須放在磁鐵的正中心才能得到正確 的 磁 場 強 度 ， 而 磁 場 的 方 向 是 沿 著 樣 品 成 長 的 方 向 ， 即 為 法 拉 第 配 置 (Faraday Configuration)。

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圖 3-7 在強磁場下量測光激發螢光之實驗架設

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