광발광

Photoluminescence
자외선 아래 형광 용액.흡수된 광자는 더 긴 전자파장에서 빠르게 재방출된다.

광발광(약칭 PL)은 광자의 흡수 후 모든 [1]형태의 물질에서 빛을 방출하는 것이다.이것은 많은 발광 형태 중 하나이며 광 들뜸(즉, 원자에서 전자를 더 높은 에너지 수준으로 흥분시키는 광자)에 의해 시작되며,[2] 따라서 접두사 광-들뜬 후, 일반적으로 다른 광자가 재방사되는 다양한 완화 과정이 발생한다.흡수와 방출 사이의 시간은 다양할 수 있다: 무기 반도체의[3] 유리 캐리어 플라즈마를 포함하는 방출에 대한 짧은 펨토초 영역에서부터 분자 시스템의 인광 작용에 대한 밀리초까지. 그리고 특별한 상황에서는 방출 지연이 몇 분 또는 몇 시간까지 지속될 수 있다.

특정 에너지에서의 광발광의 관찰은 전자가 이 전이 에너지와 관련된 들뜬 상태를 채웠음을 나타내는 것으로 볼 수 있다.

이것은 일반적으로 원자와 유사한 시스템에서 사실이지만, 상관관계와 다른 더 복잡한 현상들은 또한 반도체와 같은 다체 시스템에서 광발광의 원천으로 작용한다.이를 처리하기 위한 이론적 접근법은 반도체 발광 방정식에 의해 주어진다.

폼

포토루미네센스의 들뜸-완화 과정 개략도

포토루미네센스 프로세스는 방사선에 대한 들뜬 광자의 에너지 등의 다양한 파라미터로 분류할 수 있다.공명 들뜸은 특정 파장의 광자가 흡수되어 등가 광자가 매우 빠르게 재방출되는 상황을 말합니다.이것은 종종 공명 형광이라고 불린다.용액 또는 기체상의 물질의 경우, 이 과정은 전자를 포함하지만 흡수 및 방출 사이의 화학 물질의 분자 특성과 관련된 중요한 내부 에너지 전환은 없습니다.전자 밴드 구조가 형성되는 결정성 무기 반도체에서 이벤트는 구동광장과의 고정상 관계가 유지되는 공명 레일리 산란 등의 양면 간섭성 기여(즉 손실이 없는 에너지 탄성 프로세스)를 포함할 수 있기 때문에 2차 방출을 보다 복잡하게 할 수 있다.olved) 및 일관성이 없는 기여(또는 일부 에너지가 보조 손실 [4]모드로 전환되는 비탄성 모드),

후자는 예를 들어 고체에서 쿨롱 결합 전자-공 쌍 상태의 여기자의 복사 재조합에서 비롯된다.공명 형광은 또한 유의한 양자 광학 [4][5][6]상관 관계를 나타낼 수 있다.

물질이 흡수 이벤트에서 에너지를 다시 방출하기 전에 내부 에너지 전환을 겪을 때 더 많은 과정이 발생할 수 있습니다.전자는 광자의 흡수를 통해 에너지를 공명적으로 얻거나 광자를 방출함으로써 에너지를 잃음으로써 에너지 상태를 변화시킨다.화학 관련 분야에서는 형광과 인광을 구별하는 경우가 많다.전자는 일반적으로 빠른 과정이지만 원래 에너지의 일부가 소멸되어 재방출된 빛 광자가 흡수된 들뜸 광자보다 낮은 에너지를 갖게 됩니다.이 경우 재방출된 광자는 (자블론스키 다이어그램에서 보듯이) 이 손실 후에 전달되는 감소된 에너지를 참조하여 빨간색 시프트라고 한다.인광의 경우 광자를 흡수하는 전자는 시스템 간 교차를 겪으며, 여기서 스핀다중성이 변경된 상태(항 기호 참조), 보통 삼중항 상태가 된다.일단 들뜬 전자가 이 삼중항 상태로 이동되면, 낮은 단일항 에너지로의 전자 전환(완화)은 양자 역학적으로 금지됩니다. 이는 다른 전환보다 훨씬 더 느리게 발생한다는 것을 의미합니다.그 결과, 방사선이 싱글렛 상태로의 이행은 천천히 진행되며, 경우에 따라서는 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속됩니다.이것은 "어둠 속의 광채" 물질의 기초입니다.

광발광은 GaN, InP 등 반도체의 순도와 결정 품질을 측정하고 시스템에 존재하는 [7]무질서의 양을 정량화하는 중요한 기술이다.

시간분해 포토루미네센스(TRPL)는 시료를 광펄스로 들뜨게 한 후 시간에 대한 포토루미네센스의 붕괴를 측정하는 방법이다.이 기술은 비화 갈륨(GaAs)과 같은 III-V 반도체의 소수 캐리어 수명을 측정하는 데 유용합니다.

다이렉트갭 반도체의 광발광 특성

일반적인 PL 실험에서 반도체는 광자에 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 제공하는 광원으로 들뜨게 됩니다.들어오는 빛은 반도체 블로흐 [8][9]방정식으로 설명할 수 있는 편광을 들뜨게 합니다.광자가 흡수되면 전도 대역과 원자가 대역에서 각각 유한 k(\로 전자와 구멍이 형성된다.들뜸은 밴드갭 최소치를 향해 에너지와 운동량 이완을 거친다.전형적인 메커니즘은 쿨롱 산란과 포논과의 상호작용입니다.마지막으로 전자는 광자의 방출 아래 구멍과 재결합합니다.

이상적으로 결함이 없는 반도체는 광물질 결합 외에 전하 캐리어와 격자 진동의 상호작용을 고려해야 하는 다체 시스템입니다.일반적으로 PL 특성은 내부 전기장과 유전체 환경(예: 광결정)에 매우 민감하여 복잡도가 더욱 높아집니다.반도체 발광방정식에 [8]의해 정밀한 현미경적 기술이 제공된다.

이상적인 양자 우물 구조

결함이 없는 이상적인 반도체 양자 우물 구조는 일반적인 PL 실험의 기본 프로세스를 설명하는 데 유용한 모델 시스템입니다.이 논의는 클링시른(2012년)[10]과 발칸(1998년)[11]에서 발표된 결과에 기초하고 있다.

이 논의를 위한 가상 모델 구조에는 2개의 제한된 양자화된 전자와 2개의 홀 서브밴드1 e, e2, h1, h가2 각각 있습니다.이러한 구조의 선형 흡수 스펙트럼은 첫 번째(e1h1)와 두 번째 양자 우물 서브밴드(e2, h2)의 여기자 공명뿐만 아니라 해당 연속체 상태와 장벽으로부터의 흡수를 보여준다.

광자극

일반적으로 공진, 준공진 및 비공진 세 가지 다른 들뜸 조건이 구별됩니다.공명 들뜸의 경우, 레이저의 중심 에너지는 양자 웰의 최소 들뜸 공명에 대응합니다.캐리어 시스템에 주입되는 잉여 에너지는 극히 일부 또는 전혀 없습니다.이러한 조건의 경우, 일관성 있는 프로세스가 자연 [4][12]방출에 크게 기여합니다.편광의 붕괴는 직접적으로 들뜸을 만든다.PL의 검출은 공진 들뜸과 여진, 즉 표층광과 확산 산란을 구별하기 어렵기 때문에 공진 들뜸의 경우, 공진 들뜸의 검출은 어렵다.따라서, 스펙클과 공명 레일리 산란은 항상 일관성이 없는 방출에 중첩됩니다.

비공진 들뜸의 경우 약간의 잉여 에너지로 구조물을 들뜨게 한다.이는 분광계 또는 광학 필터를 사용하여 들뜸 에너지를 구별할 수 있기 때문에 대부분의 PL 실험에서 사용되는 일반적인 상황입니다.준공진 들뜸과 장벽 들뜸을 구분해야 한다.

준공진 조건의 경우, 여기의 에너지는, 예를 들면 제1 서브밴드의 연속체에 대해서, 지면 상태보다 위이지만, 장벽 흡수 에지보다 아래인 채로 조정된다.이러한 조건의 편광 붕괴는 공진 들뜸보다 훨씬 빠르고 양자 우물 방출에 대한 일관된 기여는 무시할 수 있습니다.캐리어 시스템의 초기 온도는 주입된 캐리어 잉여 에너지로 인해 격자 온도보다 상당히 높습니다.마지막으로 처음에 전자공 플라즈마만 생성된다.그리고 나서 들뜸의 [13][14]형성이 뒤따른다.

장벽 들뜸의 경우 양자 우물에서의 초기 캐리어 분포는 장벽과 우물 사이의 캐리어 산란에 크게 의존한다.

릴렉스

처음에 레이저광은 시료에 간섭성 분극을 유도한다.즉, 전자와 홀 상태 간의 천이는 레이저 주파수 및 고정상에 따라 진동한다.편광은 초고속 쿨롱과 포논 [15]산란으로 인한 비공진 들뜸의 경우 일반적으로 100fs 미만의 시간 척도로 소멸된다.

편광의 소멸은 각각 전도와 원자가 대역에 전자와 홀의 모집단을 생성하게 한다.보균자 집단의 수명은 다소 길며, 오거 재조합과 같은 방사 및 비방사성 재조합에 의해 제한된다.이 수명 동안 전자와 구멍의 일부분이 들뜸을 형성할 수 있으며, 이 주제는 여전히 문헌에서 논쟁적으로 논의되고 있다.형성 속도는 격자 온도, 들뜸 밀도 및 일반적인 재료 매개변수(예: 쿨롱-상호작용 강도 또는 들뜸 결합 에너지)와 같은 실험 조건에 따라 달라집니다.

특징적인 타임스케일은 GaAs [13]단위로 수백 피코초 범위이며, 광격 [16]반도체에서는 훨씬 짧은 것으로 보입니다.

짧은(펨토초) 펄스를 가진 들뜸과 편광의 준순간 감쇠 직후에는 주로 들뜸의 스펙트럼 폭, 예를 들어 레이저 펄스에 의해 캐리어 분포가 결정된다.따라서 분포는 매우 비열적이며 유한 모멘텀을 중심으로 하는 가우스 분포와 유사합니다.처음 수백 펨토초 동안 반송파는 포논에 의해 산란되거나 쿨롱 상호작용을 통해 높은 반송파 밀도로 산란됩니다.반송파 시스템은 일반적으로 첫 번째 피코초 이내에 페르미-디락 분포에 순차적으로 이완됩니다.마지막으로 캐리어 시스템은 포논의 방출로 냉각된다.재료 시스템, 격자 온도 및 잉여 에너지와 같은 들뜸 조건에 따라 최대 몇 나노초가 소요될 수 있습니다.

처음에는 광포논의 방출에 의해 반송파의 온도가 급속히 저하됩니다.이는 광학 포논과 관련된 비교적 큰 에너지(GaAs에서는 36meV 또는 420K)와 비교적 평탄한 분산으로 인해 에너지와 운동량을 보존하는 광범위한 산란 과정이 가능하기 때문에 매우 효율적입니다.반송파 온도가 광포논 에너지에 대응하는 값 이하로 떨어지면 음향포논이 완화를 지배한다.여기서 냉각은 분산과 작은 에너지로 인해 효율이 떨어지고 온도는 처음 수십 피코초보다 훨씬 느리게 감소합니다.[17][18]높은 들뜸 밀도에서는 이른바 핫폰 효과에 [19]의해 캐리어 냉각이 더욱 억제된다.다수의 핫 캐리어가 완화되면 광포논의 발생률이 높아져 음향포논으로의 붕괴율을 웃돈다.이로 인해 광학 포논의 불균형이 "과잉 인구"가 생성되고, 따라서 전하 캐리어에 의한 재흡수가 증가하여 냉각이 현저하게 억제됩니다.따라서 시스템의 냉각 속도가 느릴수록 반송파 밀도가 높아집니다.

방사 재조합

들뜸 직후의 방출은 매우 광범위하지만 여전히 가장 강한 들뜸 공명 근처에 집중되어 있다.캐리어 분포가 이완 및 냉각됨에 따라 PL 피크의 폭은 감소하고 방사 에너지는 이상 시료에 대한 여기톤(전자 등)의 지면 상태와 일치하도록 변화한다.PL 스펙트럼은 전자와 구멍의 분포에 의해 정의된 준정상 상태에 접근한다.들뜸 밀도를 높이면 방출 스펙트럼이 바뀝니다.이들은 저밀도의 들뜸 접지 상태에 의해 지배됩니다.이러한 상태가 점점 더 커짐에 따라 반송파 밀도 또는 격자 온도가 높아짐에 따라 높은 서브밴드 천이에 따른 추가 피크가 나타납니다.또, 들뜸에 의한 탈위기에[20] 의한 들뜸의 상승에 수반해 주 PL피크의 폭은 큰폭으로 증가해, 쿨롱 리노멀라이제이션과 [9]위상충전에 의해 발광피크는 작은 에너지 변화를 일으킨다.

일반적으로 들뜸집단과 플라즈마, 상관없는 전자와 홀은 반도체 발광방정식에 기술된 바와 같이 광발광원으로 작용할 수 있다.두 가지 모두 구별하기 어려운 매우 유사한 스펙트럼 특성을 보이지만, 방출 역학은 상당히 다르다.방사 재조합의 확률은 운반체 밀도에 의존하지 않기 때문에 엑시톤의 붕괴는 단일 지수 붕괴 함수를 생성한다.상관없는 전자와 홀에 대한 자발적 방출 확률은 전자와 홀 집단의 곱에 거의 비례하며, 결국 쌍곡 함수에 의해 묘사되는 비단일 지수 붕괴로 이어집니다.

장애의 영향

실제 물질 시스템은 항상 무질서를 통합합니다.예를 들어 격자의 구조적[21] 결함이나 화학 조성의 변화로 인한 무질서 등이 있습니다.이상적인 구조의 섭동에 대한 자세한 지식이 부족하기 때문에 현미경 이론에 대한 그들의 처리는 매우 어렵다.따라서, PL에 대한 외부 효과의 영향은 일반적으로 현상학적으로 [22]다루어진다.실험에서, 무질서는 캐리어의 국산화로 이어질 수 있고, 따라서 국소화된 캐리어가 자유 재조합 센터만큼 쉽게 비방사성 재조합 센터를 찾을 수 없기 때문에 광발광 수명을 획기적으로 증가시킨다.

킹 압둘라 과학기술대학(KOST)의 연구진은 온도 의존형 광발광을 사용하여 InGaN/GaN p-i-n 이중 헤테로 구조와 AlGaN 나노와이어의 광유발 엔트로피(열역학적 장애)[7][23]를 연구했다.그들은 광유도 엔트로피를 운반체 재조합과 광자 방출로 인해 유용한 작업으로 전환하기 위한 시스템의 에너지를 사용할 수 없는 열역학적 양으로 정의했다.그들은 또한 시간 분해형 광발광 연구 결과를 사용하여 엔트로피 생성의 변화와 나노와이어 활성 영역의 광반사 역학의 변화를 연관시켰다.그들은 InGaN 층에서 발생하는 장애의 양은 표면 상태의 열 활성화로 인해 상온에 가까워짐에 따라 결국 증가하지만, AlGaN 나노와이어에서는 유의미한 증가가 관찰되어 넓은 밴드갭 세미듀에서 장애로 인한 불확실성의 정도가 낮아진다는 가설을 세웠다.광유발 엔트로피를 연구하기 위해, 과학자들은 광 들뜸과 광발광으로 인한 순 에너지 교환을 고려하는 수학적 모델을 개발했다.

온도검출용 광발광재료

형광체 온도계에서는 광발광 과정의 온도 의존성을 이용하여 온도를 측정한다.

실험 방법

광발광 분광법은 반도체와 분자의 광학 및 전자 특성을 특징짓기 위해 널리 사용되는 기술이다.기술 자체는 빠르고, 비접촉적이며, 파괴적이지 않습니다.따라서 복잡한 샘플 [24]준비 없이 제작 공정에서 다양한 크기(마이크론에서 센티미터까지)의 재료의 광전자 특성을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.화학에서는 형광분광학이라고 부르기도 하지만 계측법은 동일하다.완화 과정은 광발광의 붕괴 수명을 찾기 위해 시간 분해 형광 분광법을 사용하여 연구될 수 있다.이러한 기술은 현미경과 결합하여 시료(예: 반도체 웨이퍼 또는 형광 분자로 표시된 생물학적 시료)에 걸쳐 광발광의 강도(공초점 현미경) 또는 수명(형광 수명 영상 현미경)을 매핑할 수 있습니다.

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추가 정보

Wikimedia Commons에는 포토루미네센스 관련 미디어가 있습니다.
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