Halogenlampa Spektrometer Optisk fiber Laserdiod och UV- lysdiod (ficklampa)

Transkript

1 Elektroner och ljus I den här laborationen ska vi studera växelverkan mellan ljus och elektroner. Kunskap om detta är viktigt för många tillämpningar men även för att förklara fenomen som t ex färgen hos olika material. Ljus är också ett mycket viktigt hjälpmedel för att studera elektroner och deras energitillstånd. På laborationen kommer ni att studera kvantprickar och kvantbrunnar, med hjälp av mätutrustning enligt nedan: Halogenlampa Spektrometer Optisk fiber Laserdiod och UV- lysdiod (ficklampa) Diskutera utrustningen och speciellt funktionen hos spektrometern. Spektrometern innehåller bland annat ett gitter och en svartvit CCD- kamera. Hur den kan tänkas fungera? Med hjälp av mätningar på kvantprickarna ska ni bestämma deras absorption som funktion av våglängd, samt vid vilken våglängd de emitterar ljus. För kvantbrunnarna ska ni endast mäta emitterad energi. Hur ska ni gå till väga, dels i själva experimentet och dels i den matematiska behandlingen av era mätdata? Vilken ekvation används för att beskriva absorption, och vilka storheter ingår? Ni kommer mäta på prover med olika storlek och form, vilket ger upphov till olika kvantiserade energier. Diskutera hur energin och dimensionen bör hänga samman i en enkel modell.

2 Kvantprickar Kvantprickar i kolloid lösning används inom biologisk forskning för att direkt kunna se och mäta var olika molekyler ansamlas i levande celler. Detta är möjligt eftersom kvantprickarna är ungefär lika små som cellens egna proteiner, och eftersom prickarna sänder ut ljus mycket effektivt. Till vänster: Transmissionsmikroskopibild av nakna kvantprickar, dvs utan polymerskal och funktionella molekyler. Till höger: strukturen hos en kvantprick. Kärnan består av CdSe (kadmiumselenid) och skalet av ZnS (zinksulfid). Båda bilderna kommer från Life Technologies hemsida. I våra laboration kommer vi att använda oss av kvantprickar som fluorescerar (luminiscerar) i två olika färger, grön och orange. Prickarna består av CdSe innerst och ett skal av ZnS. Skalet är till för att absorbera UV- ljus och leverera elektroner och hål till CdSe- kärnan, som sänder ut ljuset. Formen på prickarna är antingen sfärisk eller avlång. Diskutera en enkel kvantmekanisk modell för att approximera vilken energi vi kan förvänta oss emission vid. Vilken indata behöver ni för att beräkna energierna?

3 Kvantprickar II För att göra det enkelt för oss kommer vi att använda oss av en oändlig låda i tre dimensioner (sid 89 i boken). Den indata som krävs för att beräkna energierna är: Bandgapet för CdSe: E g = 1,74 ev Effektiv massa för elektroner: m * e = 0,13 m e Effektiv massa för hål: m * h = 0,45 m e Vi behöver även dimensionerna för kvantlådan, dvs längd, bredd och höjd. Det vi vet från tillverkaren QDots är: Gröna prickar: Sfäriska Orangea prickar: Ovala som en liten zeppelinare, drygt dubbelt så långa som de är breda a a a b b 2,2b Approximera genom att betrakta CdSe- kärnan som ett rätblock och antag att ZnS- skalet är mycket tunt. Med dessa antaganden, hur räknar ni ut partikelns dimensioner? Vad behöver ni mer veta för att räkna ut hur många Cd respektive Se- atomer består varje partikel av?

4 Kvantbrunnar Ett kvantbrunnsprov är uppbyggt enligt följande skiss: A B A B A B A B A Här är A och B olika material med olika bandstruktur. Välj material, dvs värden på E v och E c, så att områdena B fungerar som potentialbrunnar. Rita potentialstrukturen för både elektroner och hål. I ett fotoluminiscensexperiment belyser vi provet med en laser samtidigt som vi mäter det (luminiscens- )ljus som provet sänder ut. Diskutera de processer som är inblandade. Vilka krav ställs på laservåglängden? Vilka energier kommer vi att detektera? Tänk igenom, i detalj, hur dessa energier ska beräknas.

5 Kvantbrunnar II På laborationen ska vi mäta fotoluminiscens från ett prov enligt skissen på förra sidan. Material B är GaAs och material A, här betecknat GaInP, är en blandning av ungefär lika delar GaP och InP. Sammansättningen är vald så att båda materialen har samma gitterkonstant, a 0 = 0,565 nm. För materialen gäller: Bandgap för GaAs: E g = 1,52 ev Bandgap för GaInP: E g = 1,96 ev Effektiv massa för elektroner: m * e = 0,067 m e Effektiv massa för hål: m * h = 0,48 m e Antag att skillnaden i bandgap fördelar sig lika mellan GaAs och GaInP. Kvantbrunnars tjocklekar anges ofta i monolager. Ett monolager är den sammanlagda tjockleken hos ett lager Ga- atomer och ett lager As- atomer i kristallen. Enligt figuren nedan motsvarar gitterkonstanten, a 0, 2 monolager. I provet finns fyra kvantbrunnar vars tjocklekar är 5, 7, 10 och 13 monolager.