ПРОГРАММНОЕ  ОБЕСПЕЧЕНИЕ  ДЛЯ  ИССЛЕДОВАНИЯ  СПЕКТРОВ  ПОГЛОЩЕНИЯ  И  ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ  КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ  НАНОСТРУКТУР

Матюшкин  Лев  Борисович

аспирант,  Санкт-Петербургский  государственный  электротехнический  университет  «ЛЭТИ»  им.  В.И.  Ульянова  (Ленина),  кафедра  микро-  и  наноэлектроники,  Санкт-Петербург

E-mail: 

SOFTWARE  FOR  ABSORPTION  AND  LUMINESCENCE  SPECTRA  RESEACH  OF  QUANTUM-SIZED  NANOSTRUCTURES

Lev  Matyushkin

postgraduate  of  Saint-Petersburg  Electrotechnical  University,  Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Разработано  программное  обеспечение,  позволяющее  проводить  преобразование  координат,  фильтрацию  высокочастотных  шумов  и  другие  виды  обработки  семейств  оптических  спектров.  Программа  может  применяться  в  работе  оптической  лаборатории  и  учебном  процессе.

ABSTRACT

The  developed  software  allows  coordinate  transformation,  high  frequency  noise  filtering  and  other  kinds  of  optical  spectra  processing.  This  program  can  be  used  in  the  optical  laboratory  and  teaching.

Ключевые  слова:  наноструктуры;  квантовые  точки;  спектры  люминесценции

Keywords:  nanostructures;  quantum  dots;  luminescence  spectra

Люминесцентная  спектроскопия  и  спектроскопия  поглощения  являются  универсальными  высокочувствительными  неразрушающими  оптическими  методами  исследования.  Обработка  спектров  оптических  измерений  является  одной  из  самых  распространенных  задач  диагностики  полупроводниковых  материалов.  Определенные  сложности  возникают  при  одновременном  анализе  набора  спектров,  например,  для  образцов,  полученных  в  ходе  нескольких  серий  экспериментов,  когда  компьютерная  обработка  одинаковых  столбцов  данных  в  табличных  процессорах  может  оказаться  трудоемкой  задачей.

Необходимость  создания  программного  обеспечения  обусловлена  развитием  на  кафедре  микро-  и  наноэлектроники  СПбГЭТУ  «ЛЭТИ»  направления  синтеза,  диагностики  и  создания  структур  на  основе  коллоидных  полупроводниковых  наночастиц  [5].  Для  подобных  объектов  особенно  важным  оказывается  одновременное  сравнение  спектров  поглощения  и  флуоресценции  образцов,  в  том  числе  для  определения  величины  Стоксова  сдвига.

Для  указанных  целей  в  среде  LabVIEW  был  разработан  виртуальный  прибор,  лицевая  панель  которого  представлена  на  рис.  1.  Программа,  обеспечивающая  работу  прибора,  имеет  сложную  иерархию,  включающую  как  подпрограммы  самой  среды,  так  и  специально  созданные  компоненты,  некоторые  из  которых  приведены  ниже.

Рисунок  1.  Лицевая  панель  разработанного  виртуального  прибора

Определим  необходимые  в  подобной  программе  функции  и  средства,  при  помощи  которых  эти  функции  были  осуществлены.

Считывание  табличного  файла.  Указывается  путь  файла  спектра  отдельного  образца,  содержащего  два  столбца  данных:  первый  столбец  состоит  из  значений  длин  волн,  второй  столбец  содержит  соответствующие  этим  длинам  волн  значения  сигнала.

Определение  имени  спектра.  Поскольку  названия  файлов  обычно  представляют  некоторое  краткое  описание  образца,  удобно  выделить  содержащуюся  в  названии  файла  информацию,  чтобы  автоматически  использовать  ее  в  легенде  графика.  Для  этого  при  помощи  регулярного  выражения  (рис.  2)  из  пути  файла  выделяется  его  название.

Рисунок  2.  Блок-диаграмма  подпрограммы  LabVIEW,  осуществляющей  при  помощи  регулярных  выражений  преобразование  адреса  файла  в  название  спектра  в  легенде  графика

Фильтрация  сигнала.  Опциональной  является  функция  удаления  высокочастотных  шумов,  действие  которой  обеспечивается  разложением  спектра  образца  в  ряд  Фурье  с  подавлением  соответствующих  гармоник  высоких  частот  функцией  аподизации.

Преобразование  координат  X  и  Y.  Для  сравнения  данных,  полученных  в  разных  масштабах  оси  абсцисс,  необходимо  осуществлять  переходы  между  такими  шкалами  как:  мкм  —  см^-1;  нм  –  эВ  и  т.  д.  Переход  между  различными  представлениями  ординат  оси  Y  требуется  для  перевода  величин  оптической  плотности  —  коэффициентов  пропускания.

Нормировка.  Для  сравнения  сигналов  различной  интенсивности  используется  функция  нормировки  сигнала  к  наибольшему  значению  кривой  или  тому  же  значению,  но  выбранному  из  серии  сигналов  или  к  конкретному  значению,  заданному  пользователем.  Последний  случай  необходим  для  сравнения  графиков  сигналов  различной  природы  —  например,  спектров  поглощения  и  фотолюминесценции.

Дифференцирование  спектра  и  нахождение  интеграла  площади  под  кривой.  Интегрирование  спектра  применяется,  например,  для  сравнения  с  интегралами  гауссовых  кривых,  на  которые  может  быть  разложен  спектр.

Определение  полуширины  сигнала  (full  width  at  half  maximum,  FWHM).  Автоматическое  определение  параметра  полуширины  пика  проводится  при  помощи  программы,  блок-схема  которой  приведена  на  рис.  3.

Рисунок  3.  Подпрограмма  LabVIEW  для  определения  полуширины  сигнала

Программа  позволяет  обрабатывать  каждый  спектр  отдельно,  однако  большинство  задач  обработки  экспериментальных  данных  связано  с  одновременным  исследованием  нескольких  спектров.  Программа  позволяет  осуществлять:  1)  совмещение  в  одной  области  графика  до  восьми  спектров;  2)  включать/удалять  подлежащие  сравнению  сигналы;  3)  нормировать  спектры  по  максимуму  интенсивности  индивидуальных  сигналов  либо  по  наиболее  интенсивному  сигналу  в  семействе;  4)  определять  положение  максимумов  и  полуширин  пиков;  5)  аппроксимировать  кривую  функциями  Гаусса  и  определить  вклада  каждого  гауссова  пика.

Программа  была  апробирована  при  исследовании  спектров  фотолюминесценции  коллоидных  растворов  квантовых  точек  и  анализе  физических  законов,  управляющих  организацией  наночастиц  в  массивы  [1,  6].

В  дальнейшем  разработанное  программное  обеспечение  планируется  также  использовать  для  диагностики  мембран  пористого  оксида  алюминия  [4],  исследования  материалов,  получаемых  методами  золь-гель  технологии  [3]  и  стабилизированных  при  помощи  подобных  систем  магнитных  наночастиц  [2].

Работа  выполнена  при  поддержке  ФЦП  «Научные  и  научно-педагогические  кадры  инновационной  России»,  соглашение  №  14.132.21.1703.

Список  литературы:

1.Александрова  О.А.,  Максимов  А.И.,  Мараева  Е.В.  и  др.  Синтез  и  самоорганизация  квантовых  точек  сульфида  свинца  для  люминесцентных  структур,  полученных  методом  испарения  коллоидного  раствора  //  Нано-  и  микросистемная  техника.  2013.  №  2.  С.  19—23.

2.Гареев  К.Г.,  Грачева  И.Е.,  Мошников  В.А.  Золь-гель-технологии  направленного  синтеза  нанокомпозитов  на  основе  наноразмерных  магнитных  частиц  в  порах  изолирующей  диэлектрической  матрицы  //  Нано-  и  микросистемная  техника.  2013.  №  2.  С.  9—14.

3.Грачева  И.Е.,  Мошников  В.А.,  Абрашова  Е.В.  Обобщение  результатов  анализа  величины  фрактальной  размерности  золь-гель  пористых  иерархических  структур  //  Материаловедение.  2013.  №  6—195.  С.  13—22.

4.Муратова  Е.Н.,  Спивак  Ю.М.,  Мошников  В.А.  и  др.  Влияние  технологических  параметров  получения  слоев  нанопористого  Al₂O₃  на  их  структурные  характеристики  //  Физика  и  химия  стекла.  2013.  Т.  39.  №  3.  С.  473—480.

5.Мусихин  С.Ф.,  Александрова  О.А.,  Лучинин  В.В.  и  др.  Полупроводниковые  коллоидные  наночастицы  в  биологии  и  медицине  //  Биотехносфера.  2012.  №  5—6.  С.  40—48.

6.Тарасов  С.А.,  Александрова  О.А.,  Максимов  А.И.  и  др.  Исследование  процессов  самоорганизации  квантовых  точек  сульфида  свинца  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Электроника.  2013.  №  3.  С.  28—32.