Elektronika 2011-10 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Jako minimalną, możliwą do wykrycia i określenia wartośćstężenia amoniaku w mieszance gazów przyjęto stężenie, dlaktórego transmisja równa jest 0,95. Jak wynika z danych przedstawionychna rysunku wraz ze wzrostem długości drogi optycznejw komórce przejść wielokrotnych zmniejsza się możliwe dowykrycia stężenia amoniaku w powietrzu. Dla komórek o drodzeoptycznej równej 36, 72 oraz 210 m stężenia te wynoszą odpowiednio73, 37 oraz 12 ppb.WnioskiW pracy przedstawiono system detekcji śladowych ilości gazóww zakresie podczerwieni wykorzystujący metodę laserowej spektroskopiiabsorpcyjnej zbudowany w oparciu o laser kaskadowywykonany w ITE. Na przykładzie detekcji amoniaku zostały zaprezentowanemożliwości pomiarowe systemu. Przedstawionozjawiska fizyczne występujące przy absorpcji promieniowania IRprzez molekuły gazu oraz metodę identyfikacji i określania stężeniawykrywanego gazu. Stwierdzono, że opracowany systemdetekcji umożliwia, przy zastosowaniu lasera wykonanego w ITEi komórki przejść wielokrotnych AMAC-36, wykrycie stężeniaamoniaku w mieszance gazów na poziomie 73 ppb.Praca została wykonana w ramach projektu badawczego nr PBZ– MNiSW 02/I/2007, pod tytułem: „Zaawansowane technologiedla półprzewodnikowej optoelektroniki podczerwieni” finansowanegoprzez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.Literatura[1] Duxbury G., N. Langford: Quantum Cascade Lasers bring sensitivityand speed to infrared gas sensing. Spectroscopy Europe, Vol. 18,No. 5, pp. 18–23, 2006.[2] Kosterev A., G. Wysocki, Y. Bakhirkin, S. So, R. Lewicki, M. Fraser, F.Tittel, R. F. Curl: Application of quantum cascade Lasers to trace gasanalysis. Applied Physics B, No.90 pp. 165–176, 2008.[3] Peach L. A.: Environmental Monitoring Laser Focus World. Vol. 45,Issue 2009.[4] Miczuga M., K. Kopczyński, M. Kwaśny, J. Kubicki: System detekcjigazów z wykorzystaniem komory wielokrotnych przejść i laserówkaskadowych. 9 Sympozjum Techniki Laserowej, Świnoujście, 21–25września 2009 r., CD ROM.[5] Miczuga M., M. Kwaśny: System detekcji gazów wykorzystujący laserykaskadowe. Elektronika – konstrukcje, technologie, zastosowania,Nr 5/2009.[6] Kopczyński K., M. Miczuga, P. Głogowski, M. Kwaśny, J. Kubicki:Układ detekcji metanu na bazie lasera kaskadowego oraz komórkiwielokrotnych przejść. Prace Instytutu Elektrotechniki, nr 245,str. 139–152, 2010.[7] M. Miczuga, P. Głogowski, J. Kubicki, M. Kwaśny, K. Kopczyński,„Zastosowanie laserów kaskadowych (QCL) do detekcji śladowychilości gazów”, Elektronika – konstrukcje, technologie, zastosowania,nr 10/2010, 2010.[8] Kaczmarek M.: Wstęp do fizyki laserów. PWN, Warszawa 1978.[9] Shimoda K.: Wstęp do fizyki laserów. PWN, Warszawa 1993.[10] Patel B. S.: Collision broadening of high pressure CO and CO 2lasertransitions. Phys. Lett. 2, 13, 1973.Fourierowska spektroskopia fotoluminescencyjnai fotoodbiciowa struktur półprzewodnikowych przeznaczonychna zakres średniej i długofalowej podczerwienidr inż. Marcin Motyka, dr inż. Grzegorz Sęk, prof. dr hab. Jan MisiewiczPolitechnika Wrocławska, Instytut FizykiW dzisiejszym świecie materiały półprzewodnikowe, czy też strukturyniskowymiarowe wykonane z półprzewodników, takie jak np.studnie czy kropki kwantowe, są powszechnie wykorzystywanedo konstrukcji urządzeń emitujących bądź wykrywających promieniowanie.Lasery i detektory znajdują powszechne zastosowaniaw różnych dziedzinach życia, na przykład w szeroko rozumianejoptoelektronice towarzysząc w szybkiemu jej rozwojowi, ale teżw ochronie środowiska do monitoringu i wykrywania wszelkiegorodzaju zanieczyszczeń. Obecne przyrządy półprzewodnikowe toskomplikowane konstrukcje wykorzystujące z jednej strony właściwościmateriałowe z drugiej mechanikę kwantową. Wytwarzanietakich urządzeń wymaga ścisłej współpracy między „technologiąi charakteryzacją”. W swej konstrukcji urządzenia te składają sięz wielu cienkich warstw niejednokrotnie tworzonych z kombinacjiróżnych półprzewodników jak i różnych koncentracji nośnikówprądu. Procesy technologiczne takie jak epitaksja z wiązkimolekularnej wymagają technik pomiarowych pozwalających nakontrolowanie wzrostu i składów wzrastanych struktur. Opróczbadań strukturalnych niezwykle istotną rolę odgrywają badaniaspektroskopowe pozwalające na badanie właściwości optycznych.Ponieważ docelowo struktury czy urządzenia takie mająemitować bądź wykrywać promieniowanie elektromagnetyczneistotne jest poznanie ich takich właściwości jak: struktura energetycznapoziomów w potencjale wiążącym, mechanizmy ucieczkinośników z obszarów aktywnych, energie przerw wzbronionychi wiele innych składających się na wydajność pracy przyrządówz nich konstruowanych. Do bardzo użytecznych w tym względziemetod badawczych należą pomiar fotoluminescencji (PL (ang.Photoluminescence), czy fotoodbicia PR (Photoreflectance). Pomiarfotoluminescencji pozwala na zbadanie właściwości emisyjnychbadanych/wytwarzanych struktur, które polega na analiziemaksimów fotoluminescencyjnych (ich energii, intensywności czyposzerzenia). Fotoodbicie natomiast, poprzez swój różniczkowycharakter, cechuje się niezwykłą czułością w detekcji przejść optycznychzwiązanych także z wzbudzonymi stanami kwantowymi,co w połączeniu z obliczeniami pozwala na poznanie charakterupotencjału wiążącego (np. ilości stanów związanych odpowiadającymróżnym typom nośników oraz ich energii).W pracy zostaną przedstawione zalety i możliwości spektroskopiimodulacyjnej w szczególności realizowanej przy pomocy spektrometruFouriera, pozwalającego na prowadzenie badań struktur półprzewodnikowychw zakresie średniej i długofalowej podczerwieni.Wyniki i dyskusjaNa rysunku 1 przedstawiono przykładowe rezultaty pomiarów fotoodbiciowychdla studni kwantowej GaInAsSb/GaSb przy zastosowaniudwóch różnych podejść eksperymentalnych. Na rysunkutym widzimy że (w zakresie bliskiej podczerwieni do ~2 µm) widmofotoodbicia otrzymane w układzie ze spektrometrem Fouriera(panel b) nie różni się jakościowo od widma PR otrzymanegow standardowej konfiguracji (panel b). Zaletą jednak podejścia wykorzystującegospektrometr Fouriera jest jednak znacznie krótszyczas pomiaru. Zaobserwowane linie widmowe w obu przypadkachzostały powiązane z przejściami optycznymi związanymi zarównoz obszarem warstw studni kwantowej (stan podstawowy oraz wzbudzony),jak i warstwy podłoża z GaSb co ilustruje ważną cechętego eksperymentu jaką jest możliwość badania elementów składowychcałej badanej struktury. Dzięki dużej czułości na przejściaoptyczne eksperymentu fotoodbicia, który reprezentuje spektroskopięmodulacyjną [1–3], otrzymujemy (w połączeniu z odpowied-Elektronika 10/2011 37