TRTS – ТГц спектроскопия с временным разрешением

1. THz pump-probe

Лекция 29 марта 2020 года
TRTS – ТГц спектроскопия с временным разрешением

2. Схема спектрометра для TRTS

3. Схемы реализации метода

4. Временной анализ принятого сигнала

Это некоторая общая формула для метода анализа временного отклика

5. ТГц отклик образца при его исследовании

временной отклик образца – обратное преобразование Фурье от
спектра пропускания
и
Временной отклик «не обученного» и
«облученного» образцов

6. Свойство фото-индуцированного отклика среды

Фотоиндуцированный временной отклик образца не является
мгновенным. Это означает, что пропускание в момент времени t
зависит от фотоиндуцированных измерений, которые
происходят за некоторое время до этого

7.

По принципу причинности

8.

Для не облучаемого образца
Измеряется величина

9.

Пример реализации трех импульсной схемы
ТГц импульсы, излучаемые пластиной GaAs толщиной 500 мкм, который
накачивается лазерным импульсом при λ = 800 нм (сплошная линия). Время
задержка между оптическим возбуждением и оптическим зондом составляет
τ = 2,67 пс.

10.

Пример реализации трех импульсной схемы:
исследование медленные индуцированные процессы
Разностные ТГц сигналы излучаемые пластиной 500 мкм, накачиваемой
накачиваемая лазерным импульсом при λ = 800 нм. Каждая кривая соответствует
разным значениям временной задержки τ между оптическим возбуждением и
оптическим зондированием.

11.

Пример реализации трех импульсной схемы:
исследование медленные индуцированные процессы
Так как функция у нас медленно меняется, то

12. Кинетический анализ

(а) Фотоиндуцированное изменение пропускания пластины SI-GaAs.
Экспериментальные точки соответствуют различным частотам спектра
поглощения, в то время как непрерывная линия соответствует выременной
динамике амплитуды ТГц импульса.
(б) фото-индуцированное изменение поглощения пластины SI-GaAs и InP: Fe.
Сплошные линии экспоненциальная подгонка.

13. Некоторые методические замечания

14.

2D временные зависимости наблюдаемых явлений в TRTS
H. Němec, et al., J. Chem. Phys. 122, 104503 (2005)

15. Идея реализации метода

Pump:
l=810 nm (fs, CPA)
Probe:
Broadband (ps) THz
Равновесное
Collinear
PumpProbe
Geometry: Ultimate
Фотовозбуждение
Релаксация
Рассеяние
Temporal Resolution
(limited only by the
detector
response)<ps
ETHz(t):
Нестационарное
изменение
ETHz(t)
few
µJ/pulse
–w
Low excitation experiment:
~2mm
(временная форма) 0
18
-3
Initial carrier concentrations:записаны
1016<nпри
0<10 cm
различных
задержках
Setup in vacuum box to prevent
water
absorption
JPU 2009
15

16. InP: Результаты

Медленные процессы
Нестационарное изменение
максимума
временного
профиля
импульса
vs.
Pump-Probe задержка tp (1D
Scan).
Усредненная
спектральная
информация
о
времени
жизни носителей tc.
Временная динамика ТГц
временного профиля:
Комплексный спектр
(действительная и мнимая
части ) поверхностной
проводимости.

17. InP: Результаты исследования

Медленные процессы
Поверхностная
проводимость
17

18. InP: Результаты исследований

Быстрая динамика
Динамика при легировании 1011 и 1012 см-2 быстрая (нет quasi-dc)
Необходимо использовать 2D БПФ
Время-разрешенный спектр
БПФ от времени
БПФ при «pumpprobe» задержке
Временные
профили
2D спектр
JPU 2009
H. Němec, et al., J. Chem. Phys. 122, 104503 (2005)
18

19. InP: Результаты исследований

Быстрая динамика
Экспериментальный
2D
спектр
поверхностной
проводимости
Подгонка с помощью модели
n0 e02
1
1
Друде
( f , f p )
1 1
1
meff t s t c 2 if t c 2 if p
Без
накачки
особенностей
нет
никаких
Хорошее согласие с моделью Друде
19

20. InP: Результаты исследований

Энергетическая зависимость
ne
2 ne ne
nt
g e nt
De
1
t
z 2 t e N t
nt
n
n n n
e 1 t h t nt g e g h
t
te N t th N t
nh
2 n h n h nt
Dh
g h nt
t
th Nt
z 2
5
Модель Шокли–Рида–Холла
4
103 S ( -1)
E
1 N
g e e t exp
t e Nt
k BT
Eg E
1 N
g h h t 1 exp
t h Nt
k BT
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 11
NB! Если использовать накачку большим
пятном, то поперечной диффузии не будет.
Phys. Rev. B, 78, 235206 (2008)
Sample E10
n0 = 0.9×1017 cm-3
n0 = 2.2×1017 cm-3
n0 = 4.9×1017 cm-3
JPU 2009
3
2
1
0
0
10
20
30
Pump-probe delay (ps)
20

21. InP Результаты: Вывод

Влияние концентрации ионов Br+ на объемные и параметры и
параметры травления
Образец
nIRRAD (cm–3)
nBr (cm–3)
n0 (cm–3)
ts (фс)
m0 (cm2V–1s–1)
tdecay (пс)
B9
2×1016
0
1.6×1017
140
3000
490
E9
9×1016
5×1012
1.1×1017
120
2600
70
B10
2×1017
0
1.6×1017
120
2700
100
E10
9×1017
5×1013
0.9×1017
100
2100
5.5
B11
2×1018
0
1.6×1017
70
1600
2.6
E11
9×1018
5×1014
2.2×1017
90
2100
1.2
B12
2×1019
0
1.6×1017
40
900
0.29
JPU 2009
Время жизни носителей:
- Плотность наведенных
дефектов;
- нет влияния облучения
ионами Br
• Время захвата (trapping
time) уменьшается на 3
порядка (Log)
• Молбильность
уменьшается только в
три раза (Linear)

22. InGaAs: Результаты исследования

Медленные процессы
Detected signal (a.u.)
3
2
Однокомпонентная
C scan Sample B 5mW
C scan sample A 5mW
C scan Sample C 5mw
1
0
0
10
20
30
40
50
time ps
m0,THz
(ps)
R/R
(ps)
0.25
297 ± 5
>500(*)
2600
10800
1010
0.22
43± 5
10
2100
--
1011
0.175
3.4± 2
<0.4
1900
4300
Dose
(cm–2)
ts
tc
(fs)
109
m0,Hall
(cm2V–1s-1)
(*)нелегированный
22

23. In1-xGaxAs: Результаты исследований

(x=0.47)
Быстрые процессы
t12
State 1 (G*-valley)
State 2 (L-valley)
t13
t21
t23
State 3 (G-valley)
Drude response (ts,2)
Excitation
tc,1
tc,3
tc,2
Ground state
f (THz)
Проводимость: сумма
прохода) D s ( f , f )
theo
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
нескольких
вкладов
(3
i 1,2,3
i
p
9000
6000
3000
0
-4
-3
-2
-1
0
f p (THz)
1
2
3
4
Подгонка 2D спектра
Дает возможность получить t’

24. In1-xGaxAs Динамика

(x=0.47)
mL = 0.29 me
Ловушки
mX = 0.68 me
mG = 0.041 me

25. In1-xGaxAs Динамика

(x=0.47)
mL = 0.29 me
mX = 0.68 me
mG = 0.041 me
Ловушки
25

26. In1-xGaxAs Динамика

(x=0.47)
mL = 0.29 me
mX = 0.68 me
mG = 0.041 me
Ловушки

27. In1-xGaxAs Динамика

(x=0.47)
mL = 0.29 me
mX = 0.68 me
mG = 0.041 me
Ловушки
… и дальнейшая медленная
релаксация …

28. Временная динамика In1-xGaxAs

(x=0.47)
mL = 0.29 me
mX = 0.68 me
mG = 0.041 me
… Получается несколько сложнее …
Ловушки
Теоретическая моедль
S.E.Ralph et al, Phys. Rev. B 54, 5568