Optická spektroskopie
Vedoucí laboratoře: Zdeněk Bryknar
Pracovníci: Zdeněk Potůček, Kateřina Aubrechtová Dragounová, Maksym Buryi
Doktorandi:Amayes Gaston-Bellegarde, Oleksandr Oleksandrovich Lopata, Juraj Sládek
- Oblasti výzkumu
- Hlavní experimentální vybavení
- Řešené projekty
Oblasti výzkumu
Výzkumná činnost laboratoře je soustředěna na optickou diagnostiku objemových a tenkovrstvých dielektrických materiálů. Krystalické a keramické materiály, které jsou zkoumány, jsou vhodné např. k využití v optoelektronice, k výrobě laserů, termoluminiscenčních detektorů a scintilátorů pro ionizující záření. Cílem našeho výzkumu je objasnění elektronové struktury, tvorby a vlastností bodových poruch a vlastností nečistot ve studovaných materiálech. Výsledky výzkumu jsou vyžívány k optimalizaci růstu krystalů, přípravě keramik a tenkých vrstev a ke kontrole obsahu některých nečistot ve vyráběných materiálech.
Činnost laboratoře je zaměřena na optickou diagnostiku objemových a tenkovrstvých dielektrických a polovodičových materiálů. Cílem studia je pomocí luminiscenční, absorpční a Ramanovy spektroskopie objasnit elektronovou strukturu, tvorbu a vlastnosti bodových poruch a nečistot ve zkoumaných materiálech ve vztahu k jejich struktuře.
Oblasti výzkumu
Výzkumná činnost laboratoře je soustředěna na optickou diagnostiku objemových a tenkovrstvých dielektrických materiálů. Krystalické a keramické materiály, které jsou zkoumány, jsou vhodné např. k využití v optoelektronice, k výrobě laserů, termoluminiscenčních detektorů a scintilátorů pro ionizující záření. Cílem našeho výzkumu je objasnění elektronové struktury, tvorby a vlastností bodových poruch a vlastností nečistot ve studovaných materiálech. Výsledky výzkumu jsou vyžívány k optimalizaci růstu krystalů, přípravě keramik a tenkých vrstev a ke kontrole obsahu některých nečistot ve vyráběných materiálech.
Laboratoř disponuje čtyřmi aparaturami pro studium vlastností fotoluminiscence pevných látek, které jsou vybaveny detektory umožňujícími registrovat extrémně nízké intenzity světla ve spektrální oblasti 300 – 4 000 nm. Vedle měření emisních a excitačních spekter fotoluminiscence dovoluje toto vybavení studovat i doznívání fotoluminiscence, termoluminiscenci, radioluminiscenci, luminiscenci buzenou rentgenovým zářením a rovněž i optickou absorpci materiálů. Díky heliovým optickým kryostatům lze uvedená měření provádět při teplotách 4.2 až 450 K. Mimoto je k dispozici mikro-Ramanův spektrometr s konfokálním mikroskopem, který dovoluje vyšetřovat prostorové změny spekter Ramanova rozptylu a emisních spekter fotoluminiscence v objemu vzorků.
Hlavní experimentální vybavení
Komerční fotoluminiscenční spektrometr FLS1000
Spektrometr umožňuje měřit při pokojové teplotě následující charakteristiky luminiscence vzorků:
- emisní spektra v oblasti 200- 980 nm při buzení monochromatizovaným světlem vysokotlaké xenonové výbojky,
- excitační spektra v oblasti od 200 do 1 000 nm pro emisi v oboru 200- 980 nm,
- dobu života fotoluminiscence od 200 ps do 1 s s emisí v oblasti od 200- 980 nm, a to při buzení pulzní „mikrosekundovou“ xenonovou výbojkou použitelnou v oblasti 200 – 1 000 nm, pulzní „nanosekundovou“ vodíkovou výbojkou použitelnou ve spektrální oblasti 200 – 400 nm nebo pulzními „pikosekundovými“ diodovými lasery (445, 510, 635, 670 nm),
- časově rozlišená emisní spektra s volitelnou dobou zpoždění,
- absolutní kvantový výtěžek fotoluminiscence v oblasti 250- 980 nm
- spektrální závislost optické hustoty nebo transmise vzorku v oblasti 200- 1 000 nm,
- chromatické souřadnice fotoluminiscence vzorku podle standardu CIE 1931 a CIE 1976.
Modulární aparatura pro měření charakteristik luminiscence s vysokou citlivostí detekce metodou čítání fotonů
Aparatura umožňuje měřit při teplotách 10 – 370 K následující charakteristiky luminiscence vzorků:
- emisní spektra včetně měření v polarizovaném světle v oboru 300- 1 150 nm při buzení liniemi Ar-Kr laseru a He-Cd laseru, laserovými diodami (375, 405, 685, 808, 975 nm), nebo monochromatizovaným světlem vysokotlaké xenonové výbojky či deuteriové výbojky,
- excitační spektra včetně měření v polarizovaném světle v oblasti 200- 600 nm pro emisi v oboru 300 – 1150 nm,
- měření azimutální závislosti stupně polarizace luminiscence metodou otáčivého krystalu,
- měření termoluminiscenčních křivek po expozici vzorku monochromatizovaným světlem vysokotlaké xenonové nebo rtuťové výbojky, případně rentgenovým zářením.
Aparatura pro měření excitačních spekter fotoluminiscence v infračervené oblasti spektra využívající synchronní metody detekce
Aparatura umožňuje v širokém oboru 200 – 2 500 nm měřit excitační spektra pro emisi ze spektrální oblasti 800 – 4 000 nm, a to při teplotě kapalného helia, kapalného dusíku a pokojové teplotě. Spektrální oblast emise vzorku registrované polovodičovým detektorem (Ge, PbS, InAs) je vymezena interferenčním nebo hranovými filtry..
Aparatura pro měření emisních spekter fotoluminiscence v infračervené oblasti spektra využívající synchronní metody detekce
Aparatura umožňuje měřit emisní spektra ve spektrální oblasti 800 – 4 000 nm při teplotách od 4 do 370 K a buzení liniemi Ar-Kr laseru, He-Cd laseru nebo laserových diod (375, 405, 685, 808, 975 nm), případně monochromatizovaným světlem vysokotlaké xenonové nebo rtuťové výbojky. Emise vzorků je registrována polovodičovými detektory (Ge, PbS, InAs). Aparaturu lze evakuovat a tím eliminovat vliv absorpce vzduchu na průběh měřených spekter..
Mikro-Ramanův spektrometr LabRAM HR Evolution s konfokálním mikroskopem
Spektrometr umožňuje plně automatizované 3D vyšetřování spekter Ramanova rozptylu v rozsahu od 150 do 4 000 cm-1 a emisních spekter luminiscence ve spektrální oblasti 330 – 1 550 nm. Vzorek je možné excitovat na vlnových délkách 325 nm (He-Cd laser), 532 nm (Nd:YAG laser) a 633 nm (He-Ne laser). Prostorové rozlišení pro vlnovou délku 532 nm je v laterálním směru lepší než 0,5 μm a v axiálním směru lepší než 2 μm.
Řešené projekty
Projekty Laboratoře optické spektroskopie podpořené granty od roku 2002, ve kterých pracovníci Laboratoře optické spektroskopie působili jako řešitelé (PI) nebo spoluřešitelé (CI):
- 1999-2004: VZ MSM 210000022, Laserové systémy a jejich aplikace, (CI)
- 2000-2002: GAČR 202/00/1425, Spektroskopie a nové jevy ve vícenásobně dopovaných materiálech skupiny perovskitů, (PI)
- 2002-2005: GAČR 202/02/D072, Optická spektroskopie dopovaných feroelektrických tenkých vrstev a krystalů, (PI)
- 2005-2007: GAČR 202/05/2233, Tenké vrstvy nanodiamantu: technologie, strukturní a elektronické vlastnosti a bio-sensory, (CI)
- 2005-2011: VZ MSM 6840770021, Diagnostika materiálů, (CI)
- 2008-2010: GAČR 202/08/1009, Charakterizace a technologie nových perovskitových struktur, (PI)
- 2010-2012: SGS10/297/OHK/3T/14, Příprava a vlastnosti nových dielektrických a polovodičových materiálů a struktur perspektivních pro aplikace, (PI)
- 2012-2014: GAČR P108/12/1941, Pokročilé metody přípravy a experimentální výzkum systémů dopovaných perovskitových tenkých vrstev s vysokou hustotou akumulace energie, (PI)
- 2013-2015: SGS10/218/OHK/3T/14, Příprava a vlastnosti nových dielektrických a polovodičových materiálů a struktur perspektivních pro aplikace, (PI)
- 2016-2018: SGS10/244/OHK/3T/14, Příprava a vlastnosti nových dielektrických a polovodičových materiálů a struktur perspektivních pro aplikace, (PI)
- 2018-2023: CAAS CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000778, LASE-Optická spektroskopie, (CI)
- 2019-2021: SGS10/188/OHK/3T/14, Příprava a vlastnosti nových dielektrických a polovodičových materiálů a struktur perspektivních pro aplikace, (PI)
- 2022-2024: SGS10/182/OHK/3T/14, Příprava a vlastnosti nových dielektrických a polovodičových materiálů a struktur perspektivních pro aplikace, (PI).
Řešení řady výzkumných projektů probíhalo ve spolupráci se zahraničními a tuzemskými pracovišti, např.: s Fritz-Haber-Institute of the Max-Planck-Society v Berlíně, Technical University v Berlíně, Universität Giessen a s řadou laboratoří ve Fyzikálním ústavu AV ČR.
