光調制反射實驗架構

光調制反射基本上為一種激發探測(pump-probe)的實驗。實驗裝置如圖 2-7 所示，首先我們使用雷射光當作激發光源(pump beam)，雷射光經過截 波器(chopper)後打至樣品上產生週期性的微擾。接著利用鹵素燈經光譜儀分 光後的光源當作探測光源(probe beam)，並將其打至樣品的反射光經由透鏡 蒐集到偵測器內。在此我們會在偵測器前置放一長通光學濾波片(long pass filter)以過濾雷射散射光，而由偵測器接收到的訊號把它分為兩道：一道送 至鎖相放大器(lock-in amplifier)過濾雜訊放大訊號後輸入電表得其反射率 變化值(ΔR)；另一道不經由鎖相放大器直接輸入另一台電表內得到反射率 值(R)。最後將兩道訊號同時輸入電腦中而得到各波長的光調制反射訊號 (ΔR/R)。

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圖2-7 ：光調制反射實驗裝置圖

由於反射率 R 對於波長的變化為一較平滑的改變，而反射率變化則在能 隙處呈現一微分形式的改變，因此光調制反射訊號(ΔR/R)的譜型將主要決 定於反射率變化ΔR。實驗中，以截波器調制雷射光頻率時，在偵測器端除 了可量測到樣品的反射率變化ΔR，也將一併蒐集到雷射散射光以及樣品螢 光的值。雖然後兩者反應在光譜上為一直流訊號，但其大小仍可影響到偵 測器的工作區以及鎖相放大器的放大。在此實驗架設下，我們以一濾波片 過濾雷射散射光的影響，但樣品螢光的影響仍因為接近能隙而無法避免。

因此針對不同樣品及不同環境條件，在量測光調制反射時常需要改變不同 的實驗條件以達到較好的訊噪比(signal to noise ratio)：如雷射強度、鹵素燈 強度等等。

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接著，為了瞭解系統的可靠性與一般性，我們量測了 GaAs 樣品的能隙 大小並與文獻[13]比對。圖 2-8 為在室溫下量測到的 GaAs 光調制反射訊號，

在此使用在低場調制下的三次微分光譜公式(2-7)去擬合訊號。在(2-7)式中，

m 與臨界點(critical point)的維度有關，而厚膜(film)樣品的性質類似於塊材 (bulk)的三維結構，故在此代入 m=2.5。最後擬合出的能隙大小為 1.42 eV，

此與文獻[13]的能隙值大小相同。

1.35 1.40 1.45 1.50

-3 0 3 6

∆R/ R (x 10

-4

)

Energy (eV)

dR/R fitting curve

圖2-8 ：砷化鎵室溫下調制反射光譜

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2.4 激發相關理論與實驗架構 A. 激發相關實驗理論

激發相干技術主要是由兩道具有延遲時間差的脈衝雷射激發樣品，量其 螢光強度隨激發功率的非線性變化訊號，稱之為激發相干訊號( excitation correlation, EC )。假設螢光訊號隨激發強度成線性變化，故兩道相同功率雷 射激發樣品，總訊號為一螢光訊號的兩倍(

2 I

_PL1)。但如 兩雷射同時激發樣品，

而螢光強度隨激發功率呈非線性變化，則螢光訊號將不等於

2 I

_PL1，此時定義 此訊號強度為

PL2

I

，而激發相干訊號為

2

2

1

EC PL PL

S ≡ I − I

[14]。

然而造成其非線性變化主要為兩效應貢獻[15]。第一項為填態效應 ( band filling )：當第一道光激載子填充有限的能態空缺，將減少第二道光所 能激發的載子數，造成

2

2

1

PL PL

I < I

，因此

S

_EC < 。第二個效應為交互複合0 ( cross-recombination )：第一道受激載子的電子或電洞，與第二道的電洞或 電子交互複合，故

2

2

1

PL PL

I > I

，因此

S

_EC > 。圖 2-9 為延遲時間差為0

γ

的兩 道脈衝雷射，經由相同功率激發後，螢光訊號隨時間以自然指數型式衰減 的示意圖。假設延遲時間間隔無限長，激發間隔前後兩螢光訊號便無交互 相干，故

I

_PL2

( ) ∞ = 2 I

_PL1；因此激發相干訊號為

S

_EC( )∞ = 。 0

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圖2-9 ：兩道具有光程差γ脈衝雷射激發樣品及其光激螢光訊號

圖 2-10 為交互複合在不同延遲時間間隔二道螢光訊號的變化示意圖。

由於逐漸縮短延遲時間差，第二道光與第一道受激載子的電子或電洞複合 數隨延遲時間縮短而增加，所以總螢光強度將隨延遲時間呈指數增加。由 此，藉由偵測不同延遲時間的總螢光強度，可以得到光激載子生命期。

圖2-10 ：不同延遲時間差兩螢光訊號受到交互複合影響

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圖 2-11(a)代表僅被一道脈衝雷射激發而輸入鎖相放大器的螢光訊號。

可將該訊號表示成

1

( )

_PL1

( )

1

S t = I c f

， (2-11) 該輸入鎖相放大器訊號強度為

PL1

I

，且受到光學截波器調製具有

f 的頻率，

₁ 而 ( )

c f

_x 為截波器所調製的方波波形。而圖 2-11(b)為另一道脈衝雷射激發而 輸入鎖相放大器的螢光訊號。而該訊號由截波器調製成

f 的頻率表示成

₂

2

( )

_PL1

( )

2

S t = I c f

， (2-12) 圖 2-11(c)為兩脈衝雷射同時激發樣品產生的螢光訊號。該訊號強度由一線 性疊加項，加上兩雷射同時激發樣品時所產生的非線性項組成：

1 2 1

12

I

_PL

[ ( )

1

( )] [

2

I

_PL

- 2 I

_PL

] ( ) ( )

1 2

S = c f + c f + × c f c f

(2-13)

在文檔中 銻砷化銦鎵合金材料的光學特性研究 (頁 30-35)