Monocromador Spectra-Pro 2750 para la caracterización óptica de Nanocristales Semiconductores.
Hola estimados colegas amantes de la ciencia en #stem-espanol.
Hoy quiero compartir con ustedes mis conocimientos a cerca del Monocromador Spectra-Pro 2750, el cual es un equipo experimental usado en el Laboratorio de Energías Alternativas[a] para la caracterización óptica de nanocristales Semiconductores. Cabe destacar que estos conocimientos fueron adquiridos durante la ejecución de la Practica Profesional II (Pasantías) de mi pregrado, la cual consistió en calibrar y poner en marcha dicho equipo.
Comenzarémos por definir al Monocromador.
Un Monocromador es un dispositivo óptico que permite, por medio de un mecanismo, seleccionar y transmitir una estrecha banda de longitudes de ondas, a partir de una fuente emisora de luz blanca. Su objetivo principal es separar y transmitir, a través de un elemento de dispersión de la luz (prisma o rejilla de difracción), una porción de la señal óptica elegida entre todas las longitudes de onda disponibles en la entrada. Además, está compuesto de dos rendijas, una para la entrada luz blanca y otra para la salida de la luz monocromada[1][2].
Figura 1. Esquema del funcionamiento de un monocromador[1][2].
1. Acerca del Spectra-Pro 2750.
El monocromador SP-2750 tiene una longitud focal de 750 mm. Cuenta con una triple torreta para indexar una rejilla triple de difracción. Incluye un mecanismo digital completo de exploración de rejillas con capacidades de un completo escaneo de longitudes de onda y una interfaz RS-232 con puertos USB de computadora, para el uso del software de control suministrado para el monocromador. Además, posee dos tornillos micrométricos, uno para controlar la rendija de entrada de luz, y otro para controlar la salida de luz[3]. La figura 1 muestra en un diagrama esquemático, la distribución de los elementos internos del monocromador, así como la trayectoria de la luz (línea roja). Por otra parte, la figura 2 muestra al monocromador SP-2750.
Figura 2. Monocromador SP-2750[3].
Para la caracterización óptica de nanocristales semiconductores, el monocromador SP-2750, posee una caja de muestreo adaptada a la rendija de salida, que contiene en su interior un soporte para el detector y un soporte para porta muestras, diseñado para el estudio de películas delgadas y muestras masivas (bulk) a temperatura ambiente, además de una compuerta que permite la entrada del cabezal del criostato para estudios a bajas temperaturas.
La tabla 1, sintetiza las características y especificaciones más importantes del SP-2750. Es importante destacar que la rejilla de difracción posee tres (3) diferentes densidades de ranura, que a su vez tiene un blaze característico para el uso correcto del monocromador.
2. Descripción de los detectores de longitud de onda.
Los detectores de longitud de onda consisten en sensores fotoeléctricos o fotocélulas, el cual, es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa dependiente de la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir un circuito electrónico para el condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida.
Para la caracterización óptica de materiales semiconductores, y para el uso del monocromador SP-2750, se utilizan dos tipos de detectores de la marca Princeton Instruments, los cuales son: para el infrarrojo cercano (bajas energías) un detector InGaAs modelo ID-441[4], y un detector mejorado ultravioleta de Silicio modelo SI-440-UV-P[5] (altas energías). La descripción de cada detector está dada en la tabla 2.
Consideramos, además, que el detector de ID-441 necesita una fuente alterna de 115 VAC y que la señal será emitida en medidas de voltajes, dependiente de la intensidad detectada. El detector de Silicio emitirá señales de corriente en pico-amperios.
3. Selección de la rejilla y blaze correcto.
Los monocromadores SpectraPro, utilizan rejillas de difracción como un elemento óptico que separa la luz blanca policromática, en todo el espectro de longitudes de onda[6]. Cuando la luz policromática se encuentra con la rejilla esta es dispersada, tanto que cada una de las longitudes de ondas son reflejadas desde la rejilla en un ángulo ligeramente diferente, figura 3.
Figura 3. Luz dispersada desde la rejilla[6].
El número de ranuras contenidas dentro de la superficie de una rejilla es expresada en, “ranuras por mm” (g/mm) o “líneas por mm (l/mm). La densidad de las ranuras afecta la región de longitudes de onda en: que pueda operar un instrumento, las propiedades de dispersión de un sistema, y en que es un factor importante en la determinación de la capacidad de resolución de un monocromador. Alta densidad de ranuras resulta en grande dispersión y alta capacidad de resolución. Es recomendado seleccionar una rejilla que propine la dispersión requerida cuando se utilice un determinado detector, o la resolución requerida (con un apropiado ancho de rendija (o slit)) al momento de usar el monocromador. Además, recomendamos que seleccione una densidad de ranuras de la rejilla que permita operar la región de longitudes de ondas requeridas por el usuario.
Sabemos que la rejilla de difracción juega un papel importante en un monocromador, por ello la eficiencia de una longitud de onda particular es principalmente una función del Blaze de longitud de onda si la rejilla está normalizada. El blaze de longitud de onda indica el ángulo en que las ranuras son formadas con respecto a la rejilla normal (GN en figura 3), a menudo es llamado ángulo blaze. La tabla 3 nos indica el rango óptimo de longitudes de ondas y energías correspondiente a cada densidad de ranuras de la rejilla y su blaze presentes en el monocromador SP-2750.
La región de longitudes de onda de alta eficiencia para una rejilla particular es determinada por el blaze de longitud de onda. Por ello, recomendamos seccionar una rejilla que proporcione el máximo de eficiencia requerida para la región de longitud de onda necesaria para su estudio.
Ahora bien, para determinar el blaze de longitud de onda correcto, tenemos que considerar la región total de su aplicación. Desde un punto de vista práctico, recomendamos seccionar el blaze que favorezca el lado de la longitud de onda que cubra la región de espectro a usar. La tabla 3, está descrita en un rango de eficiencia de aproximadamente mayor o igual al 40% en los límites de las longitudes de ondas o energías.
4. Montaje experimental para la caracterización óptica de nanocristales semiconductores.
Para la caracterización óptica se emplea la técnica de Transmisión Óptica, la cual consiste en el cálculo de la misma mediante la relación de la intensidad de la luz incidente y transmitida en una muestra de geometría específica. Para esto, se utilizó el Monocromador SpectraPro-2750 el cual está configurado como lo muestra la figura 4[a].
Para el uso del Monocromador primero se suministra 9 voltios a la fuente de luz (1). Seguidamente, se selecciona el rango de longitudes de onda (o Energía) de estudio, lo que a su vez resulta en la selección del blaze, la rejilla y el detector (8 y 10), en conjunto con el lector de la señal eléctrica (9 y 11); los slit de entrada y de salida (4 y 6) son ajustados para que el detector visualice la señal de intensidad máxima en voltaje o amperes, según el detector. Finalmente, se emplea el software diseñado controlador para hacer el corrido de longitudes de onda en todo el rango de estudio seleccionado y detectar la señal en medidas de voltaje (para detector ID-441) o amperaje (para detector Si440-UV).
Figura 4. Montaje experimental de Monocromador SpectraPro-2750 del LEIMN [b].
5. Curvas experimentales.
A temperatura ambiente y en condiciones lumínicas ambientales despreciables (ambiente de poca luz), las curvas características de cada detector tienen las formas de las figuras (5) y (6).
Figura 5. Curva característica del detector ID-441[a][b].
Para el detector ID-441 se selecciona la rejilla de 600 g/mm en conjunto con el blaze de 1 µm para trabajar en un rango óptimo de longitudes de onda desde 850 nm hasta 1700 nm, o de energías desde 0,73 eV hasta 1,46 eV. Por otro lado, para el detector Si440-UV se selecciona la rejilla de 1200 g/mm y un blaze de 500 nm para trabajar en un rango óptimo desde 330 nm hasta 900 nm, o energías desde 1,38 eV hasta 3,76 eV.
Figura 6. Curva característica del detector Si440-UV[a][b].
Las figuras 5 y 6, representan las intensidades incidentes o intensidades iniciales I0 según la técnica de Transmision Óptica. Para la obtención de las intensidades transmitidas IT se debe realizar este estudio con una muestra experimental de espesor específico. Espero en una siguiente oportunidad mostrarles como sería una curva experimental de transmisión óptica y su uso para la determinación de brechas de energía de nanocristales semiconductores. Además, de los equipos usados para estudios a bajas temperaturas adaptados al monocromador SP-2750.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
[a] Laboratorio de Energías Alternativas (LEA). Universidad del Zulia (LUZ). Facultad Experimental de Ciencias (FEC).
[b] Daiver Eduardo Juárez Rangel. Correo: [email protected] - Usuario Steemit: @djredimi2.
[1] Cárdenas, José. “Diseño y automatización de un monocromador óptico”. PDF en línea
[2] Juárez, Alejandro y colaboradores. “Diseño e implementación de un sistema de control para espectroscopia de semiconductores mediante implementación virtual”. PDF en línea.
[3] Princeton Instruments. “Operating Instructions Acton Series SP-2750”. PDF enlínea.
[4] Princeton Instruments. “Model ID-441 InGaAs near Infrared Detector with Preamplifier Operating Instructions”. PDF en línea.
[5] Princeton Instruments. “Model SI-440-UV-P UV-Enhanced Silicon Detector”. PDF en línea.
[6] Acton Research Corporation. “Grattings Information, Grating Selection Guide and Typical Grating Efficiency Curves”.
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Siendo un SteemStem Estados
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Te quedo muy bueno el post. Se ve que estas utilizando bien el tiempo
Muchas gracias profa. Logró solucionar su problema con Discordapp.com?
La buena formación de un investigador científico pasa por la etapa de ver en detalle las partes internas de un equipo de medición. Esto permite conocer el funcionamiento del equipo, de la técnica y metodología, pero sobre todo aplicar la teoría y conocimientos adquiridos durante su etapa de formación académica. Excelente trabajo estimado @djredimi2
La formación de un investigador científico es el resultado de generaciones dedicadas a la capacitación y al ejercicio de la herencia. Yo doy muchas gracias al gran equipo de tutores y guías dedicados a formar a estudiantes como yo. Yo creo que soy la herencia de ellos. Muchas gracias Dr @iamphysical.
Que interesante es información amigo.! realmente es grato leer este tipo de post.