PHOTOLUMINESCENT
Pengertian
Luminesensi
adalah fenomena fisika berupa pancaran cahaya dari
suatu bahan yang tidak panas. Luminesensi adalah emisi cahaya oleh suatu zat
yang bukan
berasal dari panas, sehingga ia adalah sebuah bentuk radiasi benda dingin.
Luminesensi bisa disebabkan oleh reaksi kimia, energi listrik, gerakan subatomik,
atau tekanan pada kristal (piezoelektrik).
Luminesensi adalah fenomena
yang melibatkan penyerapan energi dan emisi cahaya. Fotoluminesensi
merupakan emisi cahaya secara spontan dari sebuah material yang mengalami
eksitasi optik. Saat energi cahaya dari luar diberikan pada material cukup
besar, maka foton akan terserap dan elektron mengalami eksitasi. Seringkali
eksitasi tersebut tidaklah stabil sehingga elektron kembali pada keadaan
dasarnya. Saat elektron kembali pada keadaan dasarnya inilah cahaya
dipancarkan. Lee,dkk (2013).
Fotoluminesensi (disingkat PL) adalah emisi
cahaya dari segala bentuk materi setelah penyerapan foton (radiasi elektromagnetik).
Ini adalah salah satu dari banyak bentuk pendaran (emisi cahaya) dan diprakarsai oleh photoexcitation (eksitasi oleh foton), maka foto-awalan.
Setelah eksitasi berbagai proses relaksasi biasanya terjadi di mana foton
lainnya adalah re-terpancar. Periode waktu antara penyerapan dan emisi dapat bervariasi:
mulai dari short femtosecond-rezim untuk emisi melibatkan plasma bebas-carrier
dalam semikonduktor anorganik. hingga milidetik
untuk proses berpendar dalam sistem molekul; dan
dalam keadaan khusus penundaan emisi bahkan mungkin span untuk menit atau jam.
Pengamatan fotoluminesen pada energi
tertentu dapat dipandang sebagai indikasi bahwa eksitasi dihuni keadaan
tereksitasi yang terkait dengan energi transisi ini.
Sementara ini umumnya benar dalam atom dan sistem serupa, korelasi dan
fenomena yang lebih kompleks lainnya juga bertindak sebagai sumber untuk
fotoluminesen di sistem banyak-tubuh seperti semikonduktor.
Pendekatan teoritis untuk menangani ini diberikan oleh persamaan semikonduktor
luminescence
.
Salah
satu fenomena fotoluminesensi yaitu
pada material kaca.
Tampak telah
dilaporkan oleh Lee,dkk(2013) pada gambar berikut ini:
Spectrum
PL beragam bergantung pada jenis materialnya sehingga melalui karakterisasi,
sifat ini sifat khas dari material dapat
dipelajari. Sifat khas dari material melalui karakterisasi PL dapat diketahui
melalui spectrum fotoluminesensinya. Setiap bahan fotoluminesesnsi memiliki
karakterisasi khas contohnya spectrum fotoluminesensi dapat ditunjukkan pada
gambar di bawah ini :
Gambar
tersebut menunjukkan spectrum fotoluminesensi kaca PL dari sekam padi yang
diperoleh Lee,dkk pada tahun 2013. Garis berwarna hitam menunjukkan spectrum
fotoluminesensi pada kaca PL dari sekam padi yang telah dipapari sinar menit
selama 2 menit. Sedangkan garis berwarna hijau setelah 5 menit. Emisi cahaya
yang dimiliki kaca PL dari sekam padi berada pada daerah 500 nm menunjukkan
kaca dari jenis ini memancarkan cahaya pada daerah spectrum hijau.
Jenis-
jenis luminesensi yaitu
1.
Kemiluminesensi,
berasal dari reaksi kimia.
·
Bioluminesensi, berasal
dari reaksi biokimia oleh makhluk hidup.
·
Elektrokemiluminesensi,
berasal dari reaksi elektrokimia.
2.
Kristaloluminesensi,
terjadi saat kristalisasi.
3.
Elektroluminesensi,
berasal dari arus listrikyang melewati suatu zat.
·
Katodoluminesensi,
berasal dari bahan luminesensi yang disambar
oleh elektron.
4.
Mekanoluminesensi,
berasal dari kegiatan mekanikpada benda padat.
·
Triboluminesensi,
terjadi oleh ikatan benda yang rusak ketika digores, dihancurkan atau digosok.
·
Fraktoluminesensi,
terjadi oleh ikata pada kristal tertentu yang rusak karena patah.
·
Piezoeluminesensi,
terjadi karena tekanan pada benda padat
tertentu.
·
Sonoluminesensi,
berasal dari meledaknya gelembung pada benda cair yang terpengaruh oleh suara.
5.
Fotoluminesensi,
terjadi oleh penyerapan foton (partikel pembawa radiasi elektromagnetik).
·
Fluoresensi,
fotoluminesensi karena singlet-singlet relaksasi elektron ( panjang hidup
tipikal : nanodetik )
·
Fosforesensi,
fotoluminesensi karena triplet-singlet relaksasi elektronik ( panjang hidup
tipikal : milidetik sampai jam )
6.
Radioluminesensi,
terjadi oleh penembakan redaksi pengion.
7.
Termoluminesensi,
remisi cahaya yang diserap ketika zat di panaskan
Cara kerja Fotoluminesensi
Cara
kerja fotoluminesensi yaitu menyerap tenaga cahaya matahari dan memancarkan
cahaya kembali. Cara ini sama sekali tidak melibatkan tenaga listrik.
Suatu molekul yang pada permulaannya
mengabsorbsi cahaya ultraviolet atau cahaya tampak pada waktu kembali ketingkat
dasar, dikatakan mengalami photoluminescence.
Fotoluminesensi terjadi hanya
didalam beberapa molekul yang dapat mengalami emisi foton yang tertentu setelah
terjadi eksitasi yang kemudian kembali kekeadaan dasar. Banyak molekul tidak
mempunyai fotoluminesensi, walaupun dapat menyerap sinar ultraviolet.
Sifat
fotoluminesensi kaca dan karakteristiknya
Kaca merupakan material keramik
modern yang memiliki aplikasi yang luas di berbagai bidang. Aplikasi material
kaca tidak terlepas dari pengetahuan dasar tentang sifat fisis material ini, seperti sifat
optik, sifat mekanik, maupun sifat kelistrikannya. Salah satu tinjauan yang
menarik untuk diketahui adalah sifat optik kaca.
Pengetahuan sifat optik kaca membawa
perkembangan aplikasikaca pada penggunaan praktis seperti saklar optik, wave
guide, teknologi laser maupun optical amplifer. Sifat optik kaca diantaranya
adalah fotoluminesensi, absorbansi, indeks bias, dispersi optik dan lain-lain.
Sifat fotoluminesensi kaca menjadi topik yang menarik untuk dikaji pada era
modern seperti sekarang ini. Amjad,dkk (2012) mempelajari sifat luminesensi
dari kaca magnesium-tellurite yang berpotensi sebagai laser dengan band-gap
energi yang lebar. Adapun Ren, dkk (2014) mempelajari sifat luminesensi kaca
Ce/Tb/Eu Cco yang didoping calcium borosilikat pada penambahan Eu2O3
yang berpotensi untuk aplikasi LED berwarna putih. Sifat fotoluminesensi kaca
tersebut dapat dikatareksisasi menggunakan alat spektroskopi luminesensi.
SPEKTROSKOPI FOTOLUMINESENSI
Spektroskopi
fotoluminesensi merupakan sebuah metode non-kontak dan non destruktif untuk
mengetahui elektronik dari suatu material. Desain alatnya dapat dilihat pada
gambar berikut ini :
Prinsip
dasar alat ini adalah cahaya dari laser dipaparkan secara langsung pada sampel.
Sampel tersebut akan menyerap cahaya tersebut dan menyebabkan foto-eksitasi
(eksitasi foton). Foto-eksitasi tersebut kemudian menyebabkan material melompat
pada keadaan elektronik yang lebih tinggi dan kembali pada keadaan dasar dengan
memancarkan foton. Pancaran foton tersebut kemudian difokuskan pada lensa yang
kemudian akan diurai pada spectrometer dan dialanisis oleh detector yang dapat
diilustrasikan melalui gambar berikut
Beberapa
sifat material yang dapat dikarakterisasi menggunakan spectrokopi PL adalah
·
Energi band-gap
·
Level impuritas dan
deteksi cacat kristal
·
Kualitas material.
Bentuk
Photoluminecence
proses Photoluminescence dapat
diklasifikasikan oleh berbagai parameter seperti energi dari foton yang menarik
sehubungan dengan emisi. eksitasi resonansi menggambarkan situasi di mana foton dari
panjang gelombang tertentu diserap dan foton setara sangat cepat kembali
dipancarkan. Hal ini sering disebut sebagai resonansi fluoresensi .
Untuk bahan dalam larutan atau dalam gas fase , proses ini melibatkan elektron tetapi
tidak ada transisi energi internal yang signifikan yang melibatkan fitur
molekul zat kimia antara penyerapan dan emisi.
Dalam semikonduktor anorganik kristal mana elektronik struktur pita terbentuk, emisi sekunder dapat lebih
rumit seperti peristiwa mungkin mengandung koheren seperti resonansi hamburan Rayleigh mana hubungan fase tetap dengan bidang
cahaya mengemudi dipertahankan (proses yaitu semangat elastis di mana tidak ada
kerugian yang terlibat) dan koheren kontribusi (atau mode inelastis di mana
beberapa saluran energi ke dalam mode kerugian tambahan), yang terakhir berasal,
misalnya, dari rekombinasi radiasi dari excitons , Coulomb -bound negara pasangan elektron-lubang
di padatan. Resonansi
fluoresensi mungkin juga menunjukkan signifikan optik kuantum korelasi.
proses yang lebih mungkin terjadi ketika
suatu zat mengalami transisi energi internal sebelum kembali memancarkan energi
dari peristiwa penyerapan. Elektron mengubah keadaan energi dengan baik energi
resonantly mendapatkan dari penyerapan foton atau kehilangan energi dengan
memancarkan foton. Dalam kimia -terkait disiplin, orang sering
membedakan antara fluoresensi dan pendar .
Sebelum biasanya proses cepat, namun beberapa jumlah
energi asli hilang sehingga foton cahaya ulang dipancarkan akan memiliki energi
yang lebih rendah daripada foton eksitasi diserap.
Foton ulang
dipancarkan dalam hal ini dikatakan merah bergeser, mengacu pada energi
berkurang itu carry berikut kerugian ini (sebagai Jablonski diagram menunjukkan).
Untuk pendar, foton diserap menjalani intersystem persimpangan di mana mereka masuk ke dalam keadaan
dengan diubah berputar multiplisitas (lihat simbol jangka ), biasanya negara triplet .
Setelah energi dari ini diserap elektron ditransfer
dalam keadaan triplet ini, transisi elektron kembali ke keadaan energi singlet
lebih rendah kuantum mekanik dilarang, yang berarti bahwa hal itu terjadi lebih
lambat dari transisi lainnya. Hasilnya adalah
proses yang lambat transisi radiasi kembali ke keadaan singlet, kadang-kadang
berlangsung beberapa menit atau jam. Ini adalah
dasar untuk "glow in the dark" zat.
Fotoluminesensi adalah teknik penting
untuk mengukur kemurnian dan kristal kualitas semikonduktor seperti GaAs dan INP dan kuantifikasi jumlah gangguan hadir
dalam suatu sistem. Beberapa variasi fotoluminesen ada, termasuk fotoluminesen eksitasi (PLE) spektroskopi.
Waktu diselesaikan fotoluminesen (TRPL)
adalah metode di mana sampel adalah bersemangat dengan pulsa cahaya dan
kemudian pembusukan di fotoluminesen terhadap waktu diukur.
Teknik ini berguna untuk mengukur umur pembawa minoritas semikonduktor III-V seperti gallium arsenide ( GaAs ).
Sifat
fotoluminesensi langsung gap semikonduktor
Dalam sebuah percobaan PL khas,
semikonduktor adalah bersemangat dengan cahaya-sumber yang menyediakan foton
dengan energi lebih besar dari celah
pita
energi. Cahaya yang
masuk menggairahkan polarisasi yang dapat digambarkan dengan semikonduktor Bloch persamaan . Setelah foton diserap, elektron dan
lubang terbentuk dengan momentum yang terbatas
dalam konduksi dan valensi band , masing-masing.
Eksitasi kemudian menjalani energi dan momentum
relaksasi terhadap celah pita minimum. Mekanisme
khas adalah Coulomb hamburan dan interaksi dengan fonon .
Akhirnya, elektron bergabung kembali dengan lubang di
bawah emisi foton.
Ideal, semikonduktor bebas cacat yang banyak-tubuh sistem dimana interaksi dari biaya-operator
dan getaran kisi harus dipertimbangkan selain kopling cahaya-materi.
Secara umum, sifat PL juga sangat sensitif terhadap
internal yang medan listrik dan lingkungan dielektrik (seperti
dalam kristal fotonik ) yang memberlakukan derajat lanjut
kompleksitas. Deskripsi mikroskopis
yang tepat disediakan oleh persamaan semikonduktor
luminescence
.
Ideal
struktur kuantum-baik
Ideal, semikonduktor bebas cacat kuantum baik struktur merupakan sistem model yang
berguna untuk menggambarkan proses mendasar dalam percobaan PL khas.
Diskusi ini didasarkan pada hasil yang dipublikasikan
di Klingshirn (2012) dan Balkan (1998).
Struktur model fiktif untuk diskusi ini
telah dua terbatas terkuantisasi elektronik dan dua lubang subbands , e1, e2 dan h1, h2, masing-masing.
Linear spektrum absorpsi seperti struktur menunjukkan exciton resonansi yang pertama (e1h1) dan
kuantum baik subbands kedua (e2h2), serta penyerapan dari negara kontinum yang
sesuai dan dari penghalang.
Secara umum, tiga kondisi eksitasi yang
berbeda dibedakan: resonan, quasi-resonan, dan non-resonan.
Untuk eksitasi resonansi, energi pusat laser sesuai
dengan terendah exciton resonansi dari kuantum dengan baik .
Tidak ada atau hanya sejumlah diabaikan kelebihan
energi disuntikkan ke sistem pembawa. Untuk
kondisi ini, proses koheren kontribusi yang signifikan terhadap emisi spontan.
The pembusukan polarisasi menciptakan excitons langsung. Deteksi PL menantang untuk eksitasi resonansi karena sulit
untuk membedakan kontribusi dari eksitasi, yaitu, nyasar-ringan dan hamburan
baur dari kekasaran permukaan. Dengan demikian, belu
dan resonansi Rayleigh-hamburan selalu ditumpangkan ke koheren emisi.
Dalam kasus eksitasi non-resonan,
struktur adalah gembira dengan beberapa kelebihan energi.
Ini adalah situasi khas digunakan di sebagian besar
percobaan PL sebagai energi eksitasi dapat dibedakan dengan menggunakan spektrometer atau filter optik .
Kita harus membedakan antara eksitasi kuasi-resonan dan
penghalang eksitasi.
Untuk kondisi quasi-resonansi, energi
eksitasi disetel di atas keadaan dasar tetapi masih di bawah penghalang tepi penyerapan , misalnya, ke dalam kontinum dari
subband pertama. Peluruhan polarisasi untuk kondisi ini jauh lebih cepat
daripada untuk eksitasi resonan dan kontribusi koheren untuk emisi juga kuantum
dapat diabaikan. Suhu awal dari sistem pembawa
secara signifikan lebih tinggi dari suhu kisi karena energi surplus operator
disuntikkan. Akhirnya, hanya plasma
elektron-lubang pada awalnya dibuat. Hal ini
kemudian diikuti oleh pembentukan excitons.
Dalam kasus penghalang eksitasi,
distribusi pembawa awal dalam sumur kuantum sangat tergantung pada hamburan
pembawa antara penghalang dan baik.
Relaksasi
Awalnya, sinar laser menginduksi
polarisasi koheren dalam sampel, yaitu, transisi antara elektron dan lubang negara
berosilasi dengan frekuensi laser dan fase tetap.
Polarisasi dephases biasanya pada sub-100 fs skala
waktu dalam kasus eksitasi nonresonant karena Coulomb- ultra-cepat dan
fonon-hamburan.
The dephasing polarisasi mengarah ke
penciptaan populasi elektron dan lubang di konduksi dan pita valensi,
masing-masing. Seumur hidup dari populasi pembawa agak panjang, dibatasi
oleh rekombinasi radiasi dan non-radiasi seperti Auger rekombinasi .
Selama masa ini sebagian kecil dari elektron dan lubang
dapat membentuk excitons, topik ini masih kontroversial dibahas dalam
literatur. Tingkat pembentukan tergantung pada
kondisi percobaan seperti suhu kisi, kepadatan eksitasi, serta pada parameter
materi umum, misalnya, kekuatan Coulomb-interaksi atau exciton energi ikat.
Karakteristik skala waktu berada di
kisaran ratusan picoseconds di GaAs; mereka tampak jauh lebih
singkat dalam lebar gap semikonduktor .
Langsung setelah eksitasi dengan singkat
(femtosecond) pulsa dan pembusukan quasi-sesaat dari polarisasi, distribusi
pembawa terutama ditentukan oleh lebar spektral eksitasi, misalnya, Laser pulsa.
Distribusi demikian sangat non-termal dan menyerupai distribusi Gaussian , berpusat pada momentum terbatas.
Dalam ratusan pertama femtoseconds , operator tersebar oleh fonon, atau
kepadatan pembawa ditinggikan melalui Coulomb-interaksi.
Sistem pembawa berturut-turut melemaskan ke distribusi Fermi-Dirac biasanya dalam picosecond pertama.
Akhirnya, sistem pembawa mendingin di bawah emisi
fonon. Hal ini dapat berlangsung hingga beberapa
nanodetik
, tergantung pada sistem bahan, suhu kisi, dan kondisi eksitasi seperti energi
surplus.
Awalnya, suhu operator menurun cepat
melalui emisi fonon
optik
. Hal ini cukup
efisien karena energi relatif besar yang terkait dengan fonon optik, (36meV
atau 420K di GaAs) dan dispersi agak datar mereka, yang memungkinkan untuk
berbagai hamburan proses di bawah konservasi energi dan momentum. Setelah suhu operator menurun di bawah nilai yang sesuai
dengan energi phonon optik, fonon
akustik
mendominasi relaksasi. Di sini, pendinginan kurang efisien karena mereka dispersi dan energi kecil dan suhu menurun jauh
lebih lambat di luar puluhan pertama picoseconds. Pada kepadatan eksitasi
tinggi, pendinginan pembawa lanjut dihambat oleh apa yang disebut hot-fonon efek . The relaksasi dari sejumlah besar
operator panas mengarah ke tingkat generasi tinggi fonon optik yang melebihi
tingkat kerusakan ke fonon akustik.
Hal ini menciptakan non-ekuilibrium
"over-populasi" fonon optik dan dengan demikian menyebabkan
peningkatan reabsorpsi mereka dengan tuduhan-operator signifikan menekan
pendinginan apapun. Sebuah sistem sehingga
mendinginkan lebih lambat, semakin tinggi kepadatan carrier.
Radiasi
rekombinasi
Emisi langsung setelah eksitasi adalah
spektral sangat luas, namun masih berpusat di sekitar dari exciton resonansi
kuat. Sebagai
distribusi pembawa rileks dan mendinginkan, lebar PL puncak menurun dan
bergeser energi emisi agar sesuai dengan keadaan dasar dari exciton untuk sampel
yang ideal tanpa gangguan. PL spektrum mendekati
bentuk quasi-steady-state yang didefinisikan oleh distribusi elektron dan
lubang. Meningkatkan kepadatan eksitasi akan
mengubah spektrum emisi. Mereka didominasi oleh
keadaan dasar excitonic untuk kepadatan rendah. puncak
tambahan dari transisi subband yang lebih tinggi muncul sebagai kepadatan
carrier atau suhu kisi meningkat sebagai negara-negara ini mendapatkan lebih
banyak dan lebih padat. Juga, lebar PL puncak
meningkat utama secara signifikan dengan meningkatnya eksitasi karena
eksitasi-diinduksi dephasing dan puncak emisi mengalami pergeseran kecil dalam
energi karena Coulomb-renormalization dan fase-mengisi.
Secara umum, kedua populasi exciton dan
plasma, elektron berkorelasi dan lubang, dapat bertindak sebagai sumber untuk
fotoluminesen seperti yang dijelaskan dalam persamaan
semikonduktor-luminescence
. Kedua
menghasilkan fitur yang sangat mirip spektral yang sulit untuk membedakan;
dinamika emisi mereka, bagaimanapun, bervariasi secara
signifikan. Peluruhan excitons menghasilkan
fungsi peluruhan tunggal eksponensial sejak probabilitas rekombinasi radiasi
mereka tidak tergantung pada kepadatan operator. Probabilitas emisi spontan untuk elektron berkorelasi dan
lubang, kira-kira sebanding dengan produk dari elektron dan lubang populasi
akhirnya mengarah ke pembusukan non-single-eksponensial dijelaskan oleh fungsi hiperbolik .
Efek dari gangguan sistem bahan nyata selalu menggabungkan
gangguan. Contohnya
adalah struktur cacat dalam kisi atau gangguan akibat variasi komposisi kimia.
pengobatan mereka sangat menantang bagi teori
mikroskopis karena kurangnya pengetahuan rinci tentang gangguan dari struktur
yang ideal. Dengan demikian, pengaruh efek
ekstrinsik pada PL biasanya ditujukan fenomenologis. Dalam percobaan, gangguan
dapat menyebabkan lokalisasi operator dan karenanya secara drastis meningkatkan
kali kehidupan fotoluminesen sebagai lokal operator tidak dapat dengan mudah
menemukan pusat rekombinasi nonradiative seperti dapat membebaskan yang.
Bahan
photoluminescent untuk deteksi suhu
Dalam fosfor thermometry , ketergantungan suhu proses
fotoluminesen dimanfaatkan untuk mengukur suhu.
