การเรืองแสง
การเรืองแสง (ย่อว่าPL ) คือ การปล่อย แสงจากสสารทุกรูปแบบหลังจากดูดซับโฟตอน (รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า) [ 1 ]เป็นหนึ่งในหลายรูปแบบของการเรืองแสง (การปล่อยแสง) และเริ่มต้นโดยการกระตุ้นด้วยแสง (เช่น โฟตอนที่กระตุ้นอิเล็กตรอนให้มีระดับพลังงานสูงขึ้นในอะตอม) ดังนั้นจึงมีคำนำหน้าว่า photo- [ 2 ] หลังจากการกระตุ้น กระบวนการผ่อนคลายต่างๆ มักเกิดขึ้นซึ่งโฟตอนอื่นๆ จะถูกแผ่รังสีออกมาอีกครั้ง ช่วงเวลาระหว่างการดูดซับและการปล่อยอาจแตกต่างกันไป ตั้งแต่ช่วงเวลาสั้นๆ ระดับเฟมโตวินาทีสำหรับการปล่อยที่เกี่ยวข้องกับพลาสมาของตัวพาอิสระในสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์[ 3 ]หรือโลหะ[ 4 ]ไปจนถึงมิลลิวินาทีสำหรับ กระบวนการ ฟอสฟอเรสเซนซ์ในระบบโมเลกุล และภายใต้สถานการณ์พิเศษ ความล่าช้าของการปล่อยอาจยาวนานถึงหลายนาทีหรือหลายชั่วโมง
การสังเกตการเรืองแสงที่พลังงานค่าหนึ่ง สามารถมองได้ว่าเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่าอิเล็กตรอนได้เปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะที่แยกจากกันด้วยพลังงานการเปลี่ยนสถานะนั้น แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเช่นนั้นในอะตอมและระบบที่คล้ายคลึงกัน แต่ความสัมพันธ์และปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนกว่านั้นก็เป็นแหล่งกำเนิดของการเรืองแสงในระบบหลายอนุภาคเช่น สารกึ่งตัวนำหรือโลหะ แนวทางทางทฤษฎีในการจัดการเรื่องนี้ได้มาจากสมการการเรืองแสงของสารกึ่งตัวนำ
แบบฟอร์ม
กระบวนการโฟโตลูมิเนสเซนซ์สามารถจำแนกได้ตามพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น พลังงานของโฟตอนที่กระตุ้นเมื่อเทียบกับการปล่อย การกระตุ้นแบบเรโซแนนซ์อธิบายถึงสถานการณ์ที่โฟตอนที่มีความยาวคลื่นเฉพาะถูกดูดซับและโฟตอนที่เทียบเท่ากันถูกปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วมาก ซึ่งมักเรียกว่าเรโซแนนซ์ฟลูออเรสเซนซ์สำหรับวัสดุในสารละลายหรือในเฟสแก๊สกระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอน แต่ไม่มีการเปลี่ยนผ่านพลังงานภายในที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติโมเลกุลของสารเคมีระหว่างการดูดซับและการปล่อย ในสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์ผลึกซึ่ง มี โครงสร้างแถบ อิเล็กตรอน เกิดขึ้น การปล่อยทุติยภูมิอาจซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากเหตุการณ์อาจมีทั้ง ส่วนประกอบ ที่สอดคล้องกันเช่นการกระเจิงเรย์ลี แบบเรโซแนนซ์ ซึ่งรักษาความสัมพันธ์เฟสคงที่กับสนามแสงที่ขับเคลื่อน (เช่น กระบวนการยืดหยุ่นทางพลังงานซึ่งไม่มีการสูญเสีย) และ ส่วนประกอบ ที่ไม่สอดคล้องกัน (หรือโหมดที่ไม่ยืดหยุ่นซึ่งพลังงานบางส่วนเข้าสู่โหมดการสูญเสียเสริม) [ 5 ]
ปรากฏการณ์หลังนี้เกิดขึ้นจากการรวมตัวใหม่แบบแผ่รังสีของเอ็กซิตอน สถานะคู่อิเล็กตรอน-โฮล ที่ ถูกผูกมัดด้วย คูลอมบ์ ในของแข็ง การเรืองแสงแบบเรโซแนนซ์อาจแสดง ความสัมพันธ์เชิงควอนตัมออปติกที่สำคัญได้เช่นกัน[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
อาจเกิดกระบวนการอื่นๆ ขึ้นได้อีกเมื่อสารมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในก่อนที่จะปล่อยพลังงานจากการดูดกลืนออกมาอีกครั้ง อิเล็กตรอนเปลี่ยนสถานะพลังงานโดยการรับพลังงานจากการดูดกลืนโฟตอนแบบเรโซแนนซ์ หรือสูญเสียพลังงานโดยการปล่อยโฟตอนออกมา ใน สาขา วิชาที่เกี่ยวข้องกับเคมี มักจะแยกความแตกต่างระหว่าง ฟลูออเรสเซนส์และฟอสฟอเรสเซนส์ ฟลูออเรสเซนส์มักเป็นกระบวนการที่รวดเร็ว แต่พลังงานดั้งเดิมบางส่วนจะสูญเสียไป ทำให้โฟตอนแสงที่ปล่อยออกมาใหม่มีพลังงานต่ำกว่าโฟตอนที่ถูกดูดกลืน โฟตอนที่ปล่อยออกมาใหม่ในกรณีนี้เรียกว่ามีการเลื่อนไปทางสีแดง ซึ่งหมายถึงพลังงานที่ลดลงหลังจากสูญเสียพลังงานไป (ดัง แสดงใน แผนภาพจาบลอนสกี ) สำหรับฟอสฟอเรสเซนส์ อิเล็กตรอนที่ดูดกลืนโฟตอนจะเกิดการเปลี่ยนสถานะระหว่างระบบโดยจะเข้าสู่สถานะที่มี ความหลากหลาย ของสปิน ที่เปลี่ยนแปลงไป (ดูสัญลักษณ์เทอม ) โดยปกติจะเป็นสถานะทริปเล็ต เมื่ออิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นถูกส่งไปยังสถานะทริปเล็ตแล้ว การเปลี่ยนสถานะ (การผ่อนคลาย) ของอิเล็กตรอนกลับไปยังพลังงานสถานะซิงเกล็ตที่ต่ำกว่านั้นเป็นสิ่งต้องห้ามทางกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งหมายความว่ามันจะเกิดขึ้นช้ากว่าการเปลี่ยนสถานะอื่นๆ มาก ผลที่ได้คือกระบวนการเปลี่ยนสถานะแบบแผ่รังสีกลับไปยังสถานะซิงเกล็ตที่ช้ามาก บางครั้งอาจกินเวลาหลายนาทีหรือหลายชั่วโมง นี่คือพื้นฐานของสารที่ "เรืองแสงในที่มืด"
การเรืองแสงเป็นเทคนิคที่สำคัญในการวัดความบริสุทธิ์และคุณภาพของผลึกของสารกึ่งตัวนำ เช่นGaNและInPและสำหรับการหาปริมาณของความไม่เป็นระเบียบที่มีอยู่ในระบบ[ 8 ]
การเรืองแสงแบบเวลาจำเพาะ (Time-resolved photoluminescence, TRPL) เป็นวิธีการที่ใช้พัลส์แสงกระตุ้นตัวอย่าง แล้ววัดการลดลงของการเรืองแสงเมื่อเทียบกับเวลา เทคนิคนี้มีประโยชน์ในการวัดอายุการใช้งานของพาหะส่วนน้อยในสารกึ่งตัวนำ III-V เช่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ ( GaAs )
คุณสมบัติการเรืองแสงของสารกึ่งตัวนำช่องว่างพลังงานโดยตรง
ในการทดลอง PL ทั่วไป สารกึ่งตัวนำจะถูกกระตุ้นด้วยแหล่งกำเนิดแสงที่ให้โฟตอนที่มีพลังงานมากกว่า พลังงาน ช่องว่างแถบแสงที่เข้ามาจะกระตุ้นโพลาไรเซชันที่สามารถอธิบายได้ด้วย สม การBloch ของสารกึ่งตัวนำ[ 9 ] [ 10 ]เมื่อโฟตอนถูกดูดซับ อิเล็กตรอนและโฮลจะถูกสร้างขึ้นโดยมีโมเมนตัมจำกัดใน แถบ นำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ตามลำดับ จากนั้นการกระตุ้นจะเกิดการผ่อนคลายพลังงานและโมเมนตัมไปสู่จุดต่ำสุดของช่องว่างพลังงาน กลไกทั่วไปคือการกระเจิงแบบคูลอมบ์และการปฏิสัมพันธ์กับโฟนอนสุดท้าย อิเล็กตรอนจะรวมตัวกับโฮลภายใต้การปล่อยโฟตอน
เซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์แบบและปราศจากข้อบกพร่องเป็นระบบหลายอนุภาคที่ต้องพิจารณาปฏิสัมพันธ์ของตัวนำประจุและการสั่นสะเทือนของแลตทิซ นอกเหนือจากการเชื่อมโยงระหว่างแสงกับสสาร โดยทั่วไป คุณสมบัติ PL ยังมีความไวต่อสนามไฟฟ้า ภายใน และสภาพแวดล้อมไดอิเล็กตริก (เช่นในผลึกโฟตอนิก ) อย่างมาก ซึ่งทำให้เกิดความซับซ้อนเพิ่มขึ้น คำอธิบายระดับจุลภาคที่แม่นยำมีอยู่ในสมการการเรืองแสงของเซมิคอนดักเตอร์[ 9 ]
โครงสร้างบ่อควอนตัมในอุดมคติ
โครงสร้าง บ่อควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์ที่สมบูรณ์แบบและปราศจากข้อบกพร่องเป็นระบบแบบจำลองที่มีประโยชน์ในการแสดงกระบวนการพื้นฐานในการทดลอง PL ทั่วไป การอภิปรายนี้อิงตามผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใน Klingshirn (2012) [ 11 ]และ Balkan (1998) [ 12 ]
โครงสร้างแบบจำลองสมมติสำหรับการอภิปรายนี้ประกอบด้วยแถบย่อยอิเล็กตรอนควอนตัมแบบจำกัดสองแถบและแถบ ย่อยโฮลสองแถบ คือ e , e และ h , h ตามลำดับสเปกตรัมการดูดกลืนเชิง เส้น ของโครงสร้างดังกล่าวแสดงให้เห็นถึง เรโซแนนซ์ของเอ็กซิตอนของแถบย่อยบ่อ ควอนตัมแรก (e1h1) และแถบย่อยบ่อควอนตัมที่สอง (e , h ) รวมถึงการดูดกลืนจากสถานะต่อเนื่องที่สอดคล้องกันและจากสิ่งกีดขวาง
การกระตุ้นด้วยแสง
โดยทั่วไป เงื่อนไขการกระตุ้นที่แตกต่างกันสามแบบจะถูกจำแนก ได้แก่ แบบเรโซแนนซ์ แบบกึ่งเรโซแนนซ์ และแบบไม่เรโซแนนซ์ สำหรับการกระตุ้นแบบเรโซแนนซ์ พลังงานศูนย์กลางของเลเซอร์จะสอดคล้องกับ เรโซ แนนซ์เอ็กซิตอนต่ำสุดของบ่อควอนตัมไม่มีหรือมีเพียงปริมาณพลังงานส่วนเกินเล็กน้อยเท่านั้นที่ถูกฉีดเข้าไปในระบบตัวพา สำหรับเงื่อนไขเหล่านี้ กระบวนการโคherent มีส่วนสำคัญต่อการปล่อยแสงแบบสปอนเทเนียส[ 5 ] [ 13 ]การสลายตัวของโพลาไรเซชันสร้างเอ็กซิตอนโดยตรง การตรวจจับ PL เป็นเรื่องท้าทายสำหรับการกระตุ้นแบบเรโซแนนซ์ เนื่องจากเป็นการยากที่จะแยกแยะส่วนประกอบจากการกระตุ้น เช่น แสงกระเจิงและการกระเจิงแบบกระจายจากความขรุขระของพื้นผิว ดังนั้น การ กระเจิง แบบสเปคเคิลและแบบเรโซแนนซ์เรย์ลีจึงซ้อนทับกับการปล่อยแสงแบบไม่โคherent เสมอ
ในกรณีของการกระตุ้นแบบไม่เกิดเรโซแนนซ์ โครงสร้างจะถูกกระตุ้นด้วยพลังงานส่วนเกิน นี่คือสถานการณ์ทั่วไปที่ใช้ในการทดลอง PL ส่วนใหญ่ เนื่องจากสามารถแยกแยะพลังงานการกระตุ้นได้โดยใช้สเปกโทรเมตรหรือตัวกรองแสงจำเป็นต้องแยกแยะความแตกต่างระหว่างการกระตุ้นแบบกึ่งเรโซแนนซ์และการกระตุ้นแบบมีสิ่งกีดขวาง
สำหรับสภาวะกึ่งเรโซแนนซ์ พลังงานของการกระตุ้นจะถูกปรับให้อยู่เหนือสถานะพื้นฐาน แต่ยังคงอยู่ต่ำกว่าขอบการดูดกลืนของสิ่งกีดขวาง เช่น เข้าสู่ความต่อเนื่องของซับแบนด์แรก การสลายตัวของโพลาไรเซชันสำหรับสภาวะเหล่านี้จะเร็วกว่าการกระตุ้นแบบเรโซแนนซ์มาก และการมีส่วนร่วมที่สอดคล้องกันต่อการปล่อยควอนตัมเวลล์นั้นน้อยมาก อุณหภูมิเริ่มต้นของระบบตัวนำจะสูงกว่าอุณหภูมิของแลตทิซอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากพลังงานส่วนเกินของตัวนำที่ฉีดเข้าไป ในที่สุด จะมีการสร้างพลาสมาอิเล็กตรอน-โฮลขึ้นในตอนแรกเท่านั้น จากนั้นจึงตามมาด้วยการก่อตัวของเอ็กซิตอน[ 14 ] [ 15 ]
ในกรณีของการกระตุ้นผ่านสิ่งกีดขวาง การกระจายตัวของพาหะเริ่มต้นในบ่อควอนตัมจะขึ้นอยู่กับการกระเจิงของพาหะระหว่างสิ่งกีดขวางและบ่ออย่างมาก
การผ่อนคลาย
ในขั้นต้น แสงเลเซอร์จะเหนี่ยวนำให้เกิดโพลาไรเซชันที่สอดคล้องกันในตัวอย่าง กล่าวคือ การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะอิเล็กตรอนและโฮลจะสั่นด้วยความถี่ของเลเซอร์และเฟสคงที่ โดยทั่วไปแล้ว โพลาไรเซชันจะสูญเสียเฟสในช่วงเวลาต่ำกว่า 100 เฟมโตวินาที ในกรณีของการกระตุ้นที่ไม่เกิดเรโซแนนซ์เนื่องจากการกระเจิงของคูลอมบ์และโฟนอนที่รวดเร็วมาก[ 16 ]
การลดเฟสของโพลาไรเซชันนำไปสู่การสร้างประชากรของอิเล็กตรอนและโฮลในแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ตามลำดับ อายุของประชากรตัวนำค่อนข้างยาวนาน โดยถูกจำกัดด้วยการรวมตัวใหม่แบบแผ่รังสีและไม่แผ่รังสี เช่นการรวมตัวใหม่แบบออเกอร์ในช่วงอายุนี้ อิเล็กตรอนและโฮลบางส่วนอาจก่อตัวเป็นเอ็กซิตอน ซึ่งหัวข้อนี้ยังคงมีการถกเถียงกันอย่างมากในเอกสารทางวิชาการ อัตราการก่อตัวขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการทดลอง เช่น อุณหภูมิของโครงสร้างผลึก ความหนาแน่นของการกระตุ้น รวมถึงพารามิเตอร์ของวัสดุโดยทั่วไป เช่น ความแรงของอันตรกิริยาคูลอมบ์หรือพลังงานยึดเหนี่ยวของเอ็กซิตอน
ช่วงเวลาลักษณะเฉพาะอยู่ในช่วงหลายร้อยพิโควินาทีใน GaAs; [ 14 ]ดูเหมือนว่าจะสั้นกว่ามากใน เซมิคอนดักเตอร์ ที่มีช่องว่างกว้าง[ 17 ]
หลังจากกระตุ้นด้วยพัลส์สั้น (เฟมโตวินาที) และการสลายตัวของโพลาไรเซชันอย่างรวดเร็ว การกระจายตัวของพาหะส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยความกว้างของสเปกตรัมของการกระตุ้น เช่น พัลส์ เลเซอร์ดังนั้นการกระจายตัวจึงไม่เป็นไปตามอุณหภูมิและคล้ายกับการกระจายแบบเกาส์เซียนโดยมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่โมเมนตัมจำกัด ในช่วงหลายร้อยเฟมโตวินาที แรก พาหะจะกระเจิงโดยโฟนอน หรือที่ความหนาแน่นของพาหะที่สูงขึ้นผ่านปฏิกิริยาคูลอมบ์ ระบบพาหะจะค่อยๆ ผ่อนคลายไปสู่การกระจายแบบเฟอร์มิ-ดิแรกโดยทั่วไปภายในพิโควินาทีแรก สุดท้าย ระบบพาหะจะเย็นลงภายใต้การปล่อยโฟนอน ซึ่งอาจใช้เวลานานถึงหลายนาโนวินาทีขึ้นอยู่กับระบบวัสดุ อุณหภูมิของแลตติส และเงื่อนไขการกระตุ้น เช่น พลังงานส่วนเกิน
ในขั้นต้น อุณหภูมิของตัวนำจะลดลงอย่างรวดเร็วผ่านการปล่อยโฟนอนเชิงแสงซึ่งมีประสิทธิภาพมากเนื่องจากพลังงานที่เกี่ยวข้องกับโฟนอนเชิงแสงค่อนข้างสูง (36 meV หรือ 420 K ใน GaAs) และการกระจายตัวที่ค่อนข้างราบเรียบ ทำให้เกิดกระบวนการกระเจิงได้หลากหลายภายใต้การอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม เมื่ออุณหภูมิของตัวนำลดลงต่ำกว่าค่าที่สอดคล้องกับพลังงานของโฟนอนเชิงแสงโฟนอนเชิงเสียงจะเข้ามามีบทบาทสำคัญในการผ่อนคลาย ในกรณีนี้ การระบายความร้อนจะมีประสิทธิภาพน้อยลงเนื่องจากการกระจายตัวและพลังงานที่น้อย และอุณหภูมิจะลดลงช้าลงมากหลังจากผ่านไปหลายสิบพิโควินาทีแรก[ 18 ] [ 19 ] ที่ความหนาแน่นของการกระตุ้นที่สูงขึ้น การระบายความร้อน ของตัวนำจะถูกยับยั้งเพิ่มเติมโดยสิ่งที่เรียกว่าผลของโฟนอนร้อน[ 20 ]การผ่อนคลายของตัวนำร้อนจำนวนมากนำไปสู่อัตราการสร้างโฟนอนเชิงแสงที่สูง ซึ่งเกินอัตราการสลายตัวเป็นโฟนอนเชิงเสียง ปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดภาวะ "ประชากรล้นเกิน" ที่ไม่สมดุลของโฟนอนเชิงแสง ส่งผลให้มีการดูดซับโฟนอนเหล่านั้นกลับคืนโดยตัวนำประจุเพิ่มมากขึ้นอย่างมาก ซึ่งจะทำให้การระบายความร้อนถูกยับยั้งอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น ระบบจะระบายความร้อนช้าลงเมื่อความหนาแน่นของตัวนำประจุสูงขึ้น
การรวมตัวใหม่แบบแผ่รังสี
การปล่อยแสงโดยตรงหลังจากการกระตุ้นนั้นมีความกว้างสเปกตรัมมาก แต่ยังคงอยู่ตรงกลางใกล้กับเรโซแนนซ์เอ็กซิตอนที่แรงที่สุด เมื่อการกระจายตัวของตัวพาผ่อนคลายและเย็นลง ความกว้างของยอด PL จะลดลง และพลังงานการปล่อยแสงจะเลื่อนไปเพื่อให้ตรงกับสถานะพื้นฐานของเอ็กซิตอน (เช่น อิเล็กตรอน) สำหรับตัวอย่างในอุดมคติที่ไม่มีความผิดปกติ สเปกตรัม PL จะเข้าใกล้รูปร่างสถานะกึ่งคงที่ซึ่งกำหนดโดยการกระจายตัวของอิเล็กตรอนและโฮล การเพิ่มความหนาแน่นของการกระตุ้นจะเปลี่ยนสเปกตรัมการปล่อยแสง โดยจะถูกครอบงำด้วยสถานะพื้นฐานของเอ็กซิตอนสำหรับความหนาแน่นต่ำ ยอดเพิ่มเติมจากการเปลี่ยนผ่านของซับแบนด์ที่สูงขึ้นจะปรากฏขึ้นเมื่อความหนาแน่นของตัวพาหรืออุณหภูมิของแลตทิซเพิ่มขึ้น เนื่องจากสถานะเหล่านี้มีประชากรมากขึ้นเรื่อยๆ นอกจากนี้ ความกว้างของยอด PL หลักจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อการกระตุ้นเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดเฟสที่เกิดจากการกระตุ้น[ 21 ]และยอดการปล่อยแสงจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเล็กน้อยเนื่องจากการปรับค่าคูลอมบ์และการเติมเฟส[ 10 ]
โดยทั่วไปแล้ว ทั้งกลุ่มเอ็กซิตอนและพลาสมา ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนและโฮลที่ไม่สัมพันธ์กัน สามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดการเรืองแสงได้ ดังที่อธิบายไว้ในสมการการเรืองแสงของสารกึ่งตัวนำทั้งสองอย่างให้ลักษณะสเปกตรัมที่คล้ายคลึงกันมากจนยากที่จะแยกแยะได้ อย่างไรก็ตาม พลวัตการปล่อยแสงของพวกมันแตกต่างกันอย่างมาก การสลายตัวของเอ็กซิตอนให้ฟังก์ชันการสลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลเดี่ยว เนื่องจากความน่าจะเป็นของการรวมตัวกันใหม่แบบแผ่รังสีไม่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของตัวพา ส่วนความน่าจะเป็นของการปล่อยแสงโดยธรรมชาติสำหรับอิเล็กตรอนและโฮลที่ไม่สัมพันธ์กันนั้น จะเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับผลคูณของจำนวนประชากรอิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การสลายตัวที่ไม่ใช่แบบเอกซ์โพเนนเชียลเดี่ยว ซึ่งอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันไฮเปอร์โบลิก
ผลกระทบของความผิดปกติ
ระบบวัสดุจริงมักประกอบด้วยความไม่เป็นระเบียบ ตัวอย่างเช่น ข้อบกพร่อง เชิงโครงสร้าง [ 22 ] ในแลตทิซหรือความไม่เป็นระเบียบเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางเคมี การจัดการสิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่งสำหรับทฤษฎีระดับจุลภาคเนื่องจากขาดความรู้โดยละเอียดเกี่ยวกับการรบกวนของโครงสร้างในอุดมคติ ดังนั้น อิทธิพลของผลกระทบภายนอกต่อ PL จึงมักถูกกล่าวถึงในเชิงปรากฏการณ์[ 23 ]ในการทดลอง ความไม่เป็นระเบียบสามารถนำไปสู่การจำกัดตำแหน่งของตัวพาประจุ และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มอายุการเรืองแสงอย่างมาก เนื่องจากตัวพาประจุที่จำกัดตำแหน่งไม่สามารถหาศูนย์กลางการรวมตัวแบบไม่แผ่รังสีได้ง่ายเท่ากับตัวพาประจุอิสระ
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีคิงอับดุลลาห์ (KAUST)ได้ศึกษาเอน โทรปีที่เกิดจากแสง (เช่น ความไม่เป็นระเบียบทางเทอร์โมไดนามิก) ของโครงสร้างเฮเทอโรสตรักเจอร์คู่InGaN / GaN pin และนาโนไวร์AlGaNโดยใช้การเรืองแสงที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ[ 8 ] [ 24 ]พวกเขากำหนดเอนโทรปีที่เกิดจากแสงว่าเป็นปริมาณทางเทอร์โมไดนามิกที่แสดงถึงความไม่พร้อมใช้งานของพลังงานของระบบสำหรับการแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์เนื่องจากการรวมตัวของตัวพาและ การปล่อย โฟตอนพวกเขายังเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงในการสร้างเอนโทรปีกับการเปลี่ยนแปลงในพลวัตของโฟโตแคริเออร์ในบริเวณแอคทีฟของนาโนไวร์โดยใช้ผลลัพธ์จากการศึกษาการเรืองแสงแบบเวลาที่กำหนด พวกเขาตั้งสมมติฐานว่าปริมาณของความไม่เป็นระเบียบที่เกิดขึ้นใน ชั้น InGaNจะเพิ่มขึ้นในที่สุดเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้อุณหภูมิห้องเนื่องจากการกระตุ้นด้วยความร้อนของสถานะพื้นผิวในขณะที่สังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นที่ไม่สำคัญในนาโนไวร์ AlGaN ซึ่งบ่งชี้ถึงระดับความไม่แน่นอนที่เกิดจากความไม่เป็นระเบียบที่ต่ำกว่าในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบกว้างกว่า เพื่อศึกษาเอนโทร ปีที่เกิดจากแสง นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่พิจารณาการแลกเปลี่ยนพลังงานสุทธิที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยแสงและการเรืองแสงด้วยแสง
การเรืองแสงจากโลหะ
ต่างจากการเรืองแสงจากสารกึ่งตัวนำ การเรืองแสงจากโลหะเป็นปรากฏการณ์ที่อ่อนกว่ามาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลผลิตควอนตัมจะต่ำกว่าหลายเท่า[ 25 ]อย่างไรก็ตาม การเรืองแสงของโลหะมีความสำคัญพื้นฐาน (เช่น เพื่อความเข้าใจโครงสร้างอิเล็กตรอนและพลวัตของประชากรในโลหะ) เช่นเดียวกับความสำคัญในทางปฏิบัติ (เช่น สำหรับการวัดอุณหภูมิ ดูส่วนถัดไป)
วัสดุเรืองแสงสำหรับการตรวจจับอุณหภูมิ
ในการวัดอุณหภูมิด้วยฟอสฟอร์จะใช้การพึ่งพาอุณหภูมิของกระบวนการโฟโตลูมิเนสเซนซ์เพื่อวัดอุณหภูมิ ในทำนองเดียวกัน โฟโตลูมิเนสเซนซ์แบบแอนติสโตกส์จากโลหะก็สามารถใช้สำหรับการวัดอุณหภูมิได้เช่นกัน[ 26 ]
วิธีการทดลอง
สเปกโทรสโกปีโฟโตลูมิเนสเซนซ์เป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการกำหนดลักษณะสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ของสารกึ่งตัวนำและโมเลกุล เทคนิคนี้รวดเร็ว ไม่สัมผัส และไม่ทำลาย ดังนั้นจึงสามารถใช้ศึกษาสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุที่มีขนาดต่างๆ (ตั้งแต่ไมครอนถึงเซนติเมตร) ในระหว่างกระบวนการผลิตโดยไม่ต้องเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อน[ 27 ]ตัวอย่างเช่น การวัดโฟโตลูมิเนสเซนซ์ของตัวดูดซับเซลล์แสงอาทิตย์สามารถทำนายแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุนั้นสามารถผลิตได้[ 28 ]ในทางเคมี วิธีนี้มักเรียกว่าสเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์แต่เครื่องมือที่ใช้ก็เหมือนกัน กระบวนการผ่อนคลายสามารถศึกษาได้โดยใช้สเปกโทรสโกปีฟลูออเรสเซนซ์แบบเวลาจำลองเพื่อหาอายุการสลายตัวของโฟโตลูมิเนสเซน ซ์ เทคนิคเหล่านี้สามารถใช้ร่วมกับกล้องจุลทรรศน์ เพื่อสร้างแผนที่ความเข้ม ( กล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอล ) หรืออายุการใช้งาน ( กล้องจุลทรรศน์สร้างภาพอายุการใช้งานของฟลูออเรสเซนซ์) ของการเรืองแสงทั่วตัวอย่าง (เช่น แผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ หรือตัวอย่างทางชีวภาพที่ทำเครื่องหมายด้วยโมเลกุลเรืองแสง) การเรืองแสงแบบมอดูเลตเป็นวิธีการเฉพาะสำหรับการวัดการตอบสนองความถี่ที่ซับซ้อนของสัญญาณการเรืองแสงต่อการกระตุ้นแบบไซน์ ทำให้สามารถสกัดอายุการใช้งานของตัวพาประจุส่วนน้อยได้โดยตรงโดยไม่จำเป็นต้องมีการสอบเทียบความเข้ม วิธีนี้ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาอิทธิพลของข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานต่อการรวมตัวใหม่ของตัวพาประจุส่วนเกินในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกที่มีรูปแบบการพาสซิเวชันที่แตกต่างกัน[ 29 ]
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- กลิ้งเชิด ซีเอฟ (2006) เลนส์สารกึ่งตัวนำ . สปริงเกอร์. ไอเอสบีเอ็น 978-3-540-38345-1.
- Kalt, H.; Hetterich, M. (2004). ทัศนศาสตร์ของสารกึ่งตัวนำและโครงสร้างนาโนของสารกึ่งตัวนำ สปริงเกอร์ISBN 978-3-540-38345-1.
- Donald A. McQuarrie; John D. Simon (1997), เคมีเชิงกายภาพ แนวทางระดับโมเลกุล , University Science Books
- Kira, M.; Koch, SW (2011). ทัศนศาสตร์ควอนตัมของสารกึ่งตัวนำ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์. ISBN 978-0-521-87509-7.
- Peygambarian, N.; Koch, SW; Mysyrowicz, André (1993). บทนำสู่ทัศนศาสตร์ของสารกึ่งตัวนำ . Prentice Hall. ISBN 978-0-13-638990-3.