Espectroscopia de fotoluminescência resolvida no tempo de nanocristais semicondutores e outros fluoróforos

Resumo

Este artigo apresenta um tutorial experimental sobre fotoluminescência resolvida no tempo. O hardware usado em muitas configurações de contagem de fótons únicos será descrito e um tutorial básico será apresentado. O objetivo é ajudar alunos e experimentadores a entender os principais parâmetros do sistema e como defini-los corretamente em configurações de fotoluminescência resolvidas no tempo.

Resumo

A fotoluminescência resolvida no tempo (TRPL) é uma técnica chave para entender a fotofísica de nanocristais semicondutores e materiais emissores de luz em geral. Este trabalho é uma cartilha para configurar e conduzir TRPL em nanocristais e materiais relacionados usando sistemas de contagem de fótons únicos (SPC). Fontes básicas de erro na medição podem ser evitadas considerando a configuração experimental e a calibração. As propriedades do detector, a taxa de contagem, a resposta espectral, as reflexões nas configurações ópticas e as configurações específicas de instrumentação para contagem de fótons únicos serão discutidas. A atenção a esses detalhes ajuda a garantir a reprodutibilidade e é necessária para obter os melhores dados possíveis de um sistema SPC. O principal objetivo do protocolo é ajudar um estudante de TRPL a entender a configuração experimental e os principais parâmetros de hardware que geralmente devem ser compreendidos para obter dados TRPL úteis em muitas configurações comuns de contagem de fótons únicos. O objetivo secundário é servir como um primer condensado para o estudante de espectroscopia experimental de luminescência resolvida no tempo.

Introdução

A fotoluminescência resolvida no tempo (TRPL) é um método importante e padrão para estudar a fotofísica de materiais luminescentes. Os sistemas de medição TRPL podem ser configurações abertas construídas pelo experimentador ou podem ser unidades independentes adquiridas diretamente de um fabricante. As configurações abertas são consideradas superiores às unidades TRPL de "caixa fechada" porque permitem um controle mais experimental e maneiras adicionais de coletar dados úteis; no entanto, eles exigem uma compreensão mais completa da medição. O TRPL é amplamente empregado no desenvolvimento de dispositivos luminescentes e deve sempre ser relatado junto com o espectro básico de emissão de nanocristais semicondutores e outros materiais emissores de luz. Existem muitos métodos para fazer TRPL; Esta cartilha se concentra em sistemas de contagem de fótons únicos.

Antes de começar, é importante reconhecer uma série de trabalhos anteriores. Primeiro, os Princípios de Espectroscopia de Fluorescência de Joseph Lakowicz¹ é um grande compêndio contendo um capítulo sobre métodos TRPL. A Introdução à Espectroscopia de Fluorescência de Ashutosh Sharma contém um capítulo agora um tanto datado sobre fluorímetros resolvidos no tempo e na fase² usados principalmente por químicos e biólogos. Espectroscopia de fluorescência: novos métodos e aplicações³ continua valioso, embora tenha mais de 20 anos. As informações e avanços mais recentes podem ser encontrados em manuais e notas técnicas 4,5,6,7,8. Existem também alguns excelentes capítulos, resenhas e e-books dedicados a uma introdução geral aos métodos TRPL 9,10,11,12,13,14,15.

Os métodos de contagem de fótons únicos (SPC) são comuns e amplamente empregados, mas existem vários conceitos que os estudantes de espectroscopia de fluorescência devem aprender para obter bons dados. Os princípios aqui contidos são gerais e aplicáveis a uma ampla gama de experimentos de SPC. É claro que, uma vez que os dados foram coletados, os algoritmos e métodos de ajuste são outra arte essencial. O ajuste do modelo TRPL é extremamente importante e muitas vezes é feito de forma inadequada, apesar do fato de que muitos trabalhos anteriores se concentraram especificamente nessa questão específica 16,17,18,19. O presente trabalho, no entanto, concentra-se principalmente em aspectos experimentais do TRPL.

A justificativa para este trabalho é desenvolver um guia abrangente para realizar TRPL com módulos comuns de contagem de fótons únicos (SPC). Como esses sistemas são tecnicamente complicados, uma boa compreensão das variáveis experimentais básicas é importante para otimizar a coleta de dados e minimizar a aparência de artefatos evitáveis. Embora técnicas como o controle óptico de Kerr e equipamentos como câmeras de raia apresentem oportunidades especiais para TRPL¹⁵ ultrarrápido, desenvolvimentos técnicos recentes no campo do SPC tornaram o TRPL de nanossegundos e subnanossegundos prontamente acessível a quase todos os laboratórios de óptica experimental. Além disso, o SPC oferece melhorias de velocidade e resolução em relação a métodos mais antigos, como combinações de fotodiodo-osciloscópio.

Protocolo

1. Preparação

1. Siga todos os equipamentos e procedimentos de segurança a laser para o laboratório. Sempre faça alinhamentos com a menor potência de laser possível. Use óculos de segurança a laser apropriados.
2. Verifique o espectro PL do sample antes de conectar a saída à configuração do SPC. Certifique-se de que o espectro tenha a aparência esperada e que nenhuma luz laser de excitação esteja presente. O PL pode ter que ser ajustado enfraquecendo a fonte de excitação ou usando filtros de densidade neutra.
   NOTA: Atenção: muita luz pode danificar permanentemente o detector SPC.
3. Certifique-se de minimizar a quantidade de luz laser refletida ou dispersa que entra na óptica da coleção, pois essa é uma importante fonte de artefatos.

2. Configuração e pré-alinhamento

NOTA: A maioria dessas etapas deve ser necessária somente se estiver criando uma nova configuração.

CUIDADO: Ao fazer alinhamentos, use os óculos de segurança a laser apropriados. Remova itens pessoais reflexivos, como joias ou relógio de pulso. Danos ao equipamento podem ocorrer se o detector for exposto a muita luz ou se você usar vol de entrada inadequadotages para seu equipamento específico.

1. Use um caderno e faça um esboço primeiro. Sempre use pelo menos dois espelhos. Os espelhos ajudam a alinhar o feixe de laser. Para o SPC, a configuração deve ser semelhante à mostrada na Figura 1; para decaimentos lentos usando um modulador acústico-óptico (consulte Discussão), será semelhante ao mostrado na Figura 2.
2. Tenha uma amostra que seja uma bolacha plana ou lâmina, ou uma solução em uma cubeta. Use uma lâmina ou cubeta feita de sílica fundida transparente ou quartzo. Lâminas de microscópio ou frascos de vidro não devem ser usados porque têm um fundo PL esbranquiçado fraco e absorvem UV.
3. Tente fazer com que as linhas de feixe corram ao longo das direções da mesa óptica. Certifique-se de que os botões de aperto dos suportes dos postes sejam facilmente acessíveis. Tente manter o feixe horizontal o máximo possível.
4. Se estiver usando fibras ópticas, escolha as fibras adequadamente. Existem diferentes diâmetros de fibra e diferentes faixas de comprimento de onda (fibras otimizadas para UV vs. NIR). Para sinais fracos, use uma fibra de grande diâmetro. Evite "misturar e combinar" fibras de diferentes tipos. O TRPL pode exigir fibras longas devido a reflexos.
5. Se a amostra estiver em uma cubeta, use um suporte de cubeta. Se for um wafer ou slide, use um wafer clamp suporte.
6. Configure o experimento aproximadamente como mostrado na Figura 1 ou na Figura 2. Use o último espelho para garantir que o feixe de laser atinja a amostra e caia perto da frente da óptica de coleta.
   NOTA: Se o feixe atingir perto do canto da cubeta e acabar refletindo por todo o interior da cubeta, pode-se obter muitos reflexos internos. Isso pode levar a um espectro TRPL estranho ou "bagunçado", especialmente perto do pico.
7. Execute o alinhamento grosseiro afrouxando o botão no suporte do espelho e girando lentamente o espelho com a mão.
   CUIDADO: Não coloque as mãos no caminho da viga. Tenha cuidado com as reflexões. Usar óculos de segurança a laser apropriados.
8. Execute o alinhamento preciso usando os parafusos ou botões de alinhamento no suporte do espelho. Faça esse ajuste maximizando o sinal PL na tela do computador.
9. Bloqueie todos os feixes refletidos. Certifique-se de que todas as vigas perdidas sejam contabilizadas e devidamente bloqueadas.
10. Nunca dobre as fibras ópticas em raios menores que ~20 cm. Caso contrário, a fibra pode quebrar.
11. Use um filtro passa-longo com um corte pelo menos 25 nm maior que o comprimento de onda do laser, se possível. Os filtros de interferência têm uma direção para frente e para trás.
12. Obtenha um espectro PL claro e otimizado sem artefatos. Ajuste a intensidade conforme apropriado para o detector SPC. Em caso de dúvida, use uma intensidade de PL baixa.

3. Espectroscopia TRPL

1. Obtenção de dados com o módulo SPC (dinâmica rápida)
   1. Certifique-se de que o filtro de bloqueio de laser e a configuração do obturador adequados sejam usados para o detector de contagem de fótons únicos. Ele será danificado se receber muita luz. O obturador está fechado.
   2. Ligue o laser e ajuste a frequência conforme desejado. Ligue o gerador de atraso de pulso e configure.
   3. Encaminhe o PL para o suporte do filtro/obturador do detector SPC.
   4. O controlador do detector e o software de controle SPC devem estar funcionando, bem como resfriando, se disponível. Ajuste o ganho do detector para um valor mais baixo. Ligue todo o hardware.
   5. Certifique-se de que a frequência de sincronização esteja registrada corretamente na interface SPCM.
   6. Ligue o PMT (habilite as saídas). O CFD e o TAC devem agora ler uma frequência baixa (contagens escuras).
   7. Abra lentamente o obturador do detector. Se você vir um aviso de saturação, feche-o imediatamente. Caso contrário, abra-o totalmente.
      CUIDADO: Muita luz pode danificar permanentemente o detector.
   8. Agora deve haver contagens mais altas de CFD, TAC e ADC. Aumente o ganho do detector com cuidado. Ajuste a potência do laser para evitar o empilhamento.
   9. Se as contagens de ADC estiverem baixas e nenhum espectro TRPL for visto, ajuste o gerador de atraso ou a frequência de sincronização para aproximar o máximo de TRPL do lado esquerdo da janela de coleta (mais perto de t = 0).
   10. Realize ajustes nos parâmetros conforme descrito no texto principal, até que um bom traço de decaimento de PL no intervalo registrado possa ser observado.
   11. Quando terminar de gravar, feche imediatamente o obturador e desligue o detector. Desligue o laser. Dados salvos.
2. Obtenção de dados com o escalar multicanal (dinâmica lenta)
   1. Ligue o laser CW e o controle e alimentação do modulador acústico-óptico.
   2. Abra o obturador do laser. Defina o gerador de forma de onda para 1 Hz, padrão e magnitude de tensão apropriados (por exemplo, onda quadrada de 0-4 V, 50% de serviço). Verifique a saída do AOM. Deve haver um feixe intermitente com quase metade da intensidade do feixe principal. Caso contrário, execute um alinhamento completo do AOM.
   3. Usando a íris, certifique-se de que apenas o feixe brilhante e intermitente esteja alinhado com a amostra. Aumente a frequência para o valor desejado (por exemplo, 200 Hz). Verifique o PL = usando um espectrômetro, conforme descrito anteriormente.
   4. Ligue o detector. Execute o software MSC. Defina o software MSC de acordo com o procedimento. Escolha seus intervalos de tempo.
   5. Encaminhe o PL para a entrada do detector. Certifique-se de que o filtro apropriado seja usado.
   6. Ligue o PMT e, em seguida, abra lentamente o obturador como na etapa 3.1.7. Feche o obturador imediatamente se aparecer um aviso de saturação. Em caso afirmativo, enfraqueça o sinal PL.
   7. Coletar dados. Feche imediatamente o obturador e desative a alimentação do PMT quando terminar. Feche o obturador do laser. Salve os dados.

Resultados

Uma curva de decaimento SPC padrão é mostrada na Figura 3. O aumento inicial foi deslocado para que o pico corresponda ao tempo zero (este não é o caso nos dados brutos devido aos atrasos eletrônicos e ópticos). A relação sinal-fundo é de cerca de 100 porque esta amostra tem uma fosforescência de longa duração, mas fraca. Uma reflexão fraca é claramente observável na escala logarítmica, que ocorre cerca de 50 ns após o pico principal do TRPL...

Discussão

Existem vários parâmetros importantes controlados pelo usuário em qualquer configuração de SPC que devem ser compreendidos pelo usuário. Esses parâmetros explicarão as limitações do método SPC para TRPL, permitirão que o usuário solucione problemas de configuração com mais facilidade se algo der errado e ajudarão a entender as etapas críticas que são efetivamente necessárias para uma boa coleta de dados. Além disso, amostras diferentes geralmente exigem configuraçõe...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
AOM	Isomet	1260C
Laser	Alphalas	Picopower
Laser	Coherent	Enterprise
MCS	Becker-Hickl	PMS-400
PMT	Becker-Hickl	HPM100-50
PMT	Hamamatsu	H-7422
SPCM	Becker-Hickl	EMN130