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Wissenswertes zur Photolumineszenz-Spektroskopie und Fluoreszenz

Spektrometer von Renishaw können Photolumineszenz- (PL-)Spektroskopie durchführen, um die elektronische Struktur eines Stoffes sichtbar zu machen. Unerwünschte Fluoreszenzuntergründe dagegen lassen sich während der Raman-Analyse einfach vermeiden.


Bei der Photolumineszenz (PL) wird das Material durch Lichtabsorption angeregt. Wenn das Material dann von seinem elektronisch angeregten Energiezustand in seinen Grundzustand zurückkehrt, emittiert es Licht. Die PL umfasst sowohl Fluoreszenz- als auch Phosphoreszenzprozesse. Die Menge und Art der PL hängt davon ab, welches Material untersucht und welche Laserwellenlänge verwendet wird.

Bei der Bestrahlung einer Probe mit einem Laser kann sowohl Raman-Streuung als auch PL auftreten. Unerwünschte fluoreszierende Untergründe können eine erfolgreiche Raman-Analyse verhindern, da sie das schwächere Raman-Streulicht verdecken. Häufig können wir einen stark fluoreszierenden Untergrund durch die Wahl einer geeigneten Laserwellenlänge verhindern.

Was die Photolumineszenz-(PL-)Spektroskopie uns sagen kann

In vielen Fällen kann das PL-Spektrum nützlich sein. Sie können das PL-Spektrum nutzen, um die elektronischen Eigenschaften von Stoffen zu untersuchen. Dies ist wichtig für die Halbleiteranalyse, wo es die Bandstruktur des Stoffes und etwaige Defekte aufzeigt. Auch Kristalldefekte in Edelsteinen, wie atomare Lücken und Substitutionen, können analysiert werden.

Die PL-Spektroskopie ist zerstörungsfrei und kann die Raman-Daten ergänzen. Raman-Systeme von Renishaw eignen sich sowohl für die Analyse der Raman-Streuung als auch der PL.

Sie können PL einsetzen, um Kristalldefekte, wie beispielsweise atomare Lücken und Substitutionen, zu untersuchen. Dies ist für Edelsteine wie Diamant und Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) von Bedeutung. Sie können nicht nur die Art des Fehlers feststellen, sondern auch, ob der Kristall innere Spannungen aufweist.

Wie ein Photolumineszenzspektrum gemessen wird

Um ein PL-Spektrum zu erhalten, fokussieren wir Licht auf eine Probe und messen die daraus resultierende Lumineszenz. Ein PL-Spektrum ist ein Formdarstellung der emittierten Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge. Mittels PL-Spektroskopie können wir die elektronischen Eigenschaften und das Vorhandensein von Defekten in Halbleitermaterialien untersuchen. Für diese Studien benötigen wir oft einen Spektralbereich von mehreren Hundert Nanometern (oder Tausenden von Wellenzahlen, cm-1). DieSynchroScan™-Technologie kann außerdem nützlich sein, um Merkmale wie Breite und Schärfe in einem PL-Spektrum aufzulösen.

Die Spektrometer von Renishaw verwenden eine Laserlichtquelle für die PL-Spektroskopie. Laser sind monochromatisch, d. h. sie ermöglichen eine intensive Bestrahlung über einen sehr engen Frequenzbereich. Mittels Laseranregung können daher PL-Peaks aufgedeckt werden, die mit anderen Anregungsquellen wie UV-Lampen oder verstellbaren Spektrofluorometern möglicherweise nicht sichtbar werden. Die Menge und Art der PL hängt davon ab, welches Material untersucht und welche Laserwellenlänge verwendet wird. Um PL anzuregen, muss das einfallende Licht eine höhere Energie haben als die elektronische Bandlücke des Materials. Eine niedrigere Energie entspricht einer längeren Wellenlänge. Wir beobachten daher die PL-Emission bei Wellenlängen, die länger sind als die des einfallenden Lichts.

Broadband spectrum of SiC

Breitbandspektrum von SiC, das PL-Merkmale zeigt. Es wird ein Spektralbereich von 400 nm bis über 1000 nm abgedeckt, also der sichtbare und nicht sichtbare Bereich. Daten mit freundlicher Genehmigung von Prof. John Steeds und Dr. Geraint Evans, Dept of Physics, Universität Bristol, Großbritannien.

Fluoreszenz und Phosphoreszenz

Die Photoluminiszenz umfasst sowohl Fluoreszenz- als auch Phosphoreszenzprozesse. Im Allgemeinen bezieht sich Fluoreszenz auf die PL, die fast augenblicklich auftritt und weniger als 10 Nanosekunden andauert. Die Phosphoreszenz hingegen bezieht sich auf eine PL, die länger als 10 Nanosekunden nach Wegfall des einfallenden Lichts anhält. Das folgende Jablonski-Diagramm hilft uns, die Quantenmechanik hinter der Fluoreszenz und Phosphoreszenz zu verstehen.

Wir betrachten ein Molekül in seinem Singulett-Grundzustand (S0). Im Falle der Fluoreszenz absorbiert das Molekül ein Photon, das es in einen angeregten Singulett-Zustand (S1) versetzt. Fluoreszierende Lichtemission tritt auf, wenn sich das Molekül von S1 zu S0entspannt. Die beiden Zustände S1 und S0 haben die gleiche Spin-Multiplizität, sodass der Übergang von S1 zu S0 möglich ist. Aus diesem Grund tritt die Fluoreszenz in weniger als 10 Nanosekunden auf.

Damit Phosphoreszenz auftritt, enthält das Molekül typischerweise Atome mit höherer Masse und einer starken Spin-Bahn-Kopplung. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Interkombination (Intersystem Crossing, ISC) zwischen elektronischen Singulett-S1 und Triplett-T1 Zuständen. Aufgrund der Drehimpulserhaltung ist der Übergang von einem T1 zu einem S0 Grundzustand verboten, da diese elektronischen Zustände eine unterschiedliche Spin-Multiplizität aufweisen. Auch hier wird diese Regel durch die Spin-Bahn-Kopplung gelockert, sodass Phosphoreszenz in Form eines Strahlungsübergangs aus dem T1 Zustand in den S0 Zustand auftreten kann. Aus diesem Grund tritt Phosphoreszenz in einem deutlich langsameren Zeitrahmen (Mikrosekunden bis mehrere tausend Sekunden) auf als Fluoreszenz.

Kurz gesagt tritt Fluoreszenz auf, wenn ein Molekül nach der Absorption eines Photons aus seinem ersten angeregten Singulett-Zustand S1 Licht emittiert. Phosphoreszenz tritt auf, wenn ein Molekül nach der Interkombination aus dem S1 Zustand Licht aus seinem Triplett-Zustand T1 emittiert.

Energy diagram showing absorption of light and the processes involved in the emission of light as fluorescence and phosp Energiediagramm, das die Absorption von Licht und die Prozesse veranschaulicht, die an der Emission von Licht in Form von Fluoreszenz und Phosphoreszenz beteiligt sind.

Wissenswertes über Raman-Spektroskopie

Neu auf dem Gebiet der Raman-Spektroskopie? Machen Sie sich schnell mit den Grundlagen der Raman-Analyse vertraut.

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Fluoreszenz-Bildgebung und FLIM

Biologen arbeiten häufig mit Fluoreszenzbildgebung. Dabei werden organische Gewebe und Zellen mit einem fluoreszierenden Markierungsreagenz behandelt, um das Vorhandensein und die Verteilung von Spezies auf molekularer Ebene nachzuweisen. Das konfokale Mikroskop inVia™ und der biologische Analyser RA816 von Renishaw eignen sich besonders zur Abbildung fluoreszierender Tags, die als biologische Marker dienen. Dieser Ansatz ist jedoch invasiver als die Raman-Analyse, die in der Regel ohne Markierungen auskommt.

Im Gegensatz dazu ist die Fluoreszenzlebensdauer-Imaging-Mikroskopie (FLIM) eine markierungsfreie Technik zur Untersuchung der molekularen Umgebung von organischen Zellen und Geweben. Sie ergänzt die Raman-Spektroskopie, die Aufschluss über die zugrunde liegende Biochemie gibt. Das inVia-Mikroskop kann jetzt mit einer integrierten FLIM-Funktion für markierungsfreie multimodale Bildgebung ausgestattet werden.

Stress image generated from the ruby R2 PL band position


Aus der Position der R2 PL-Bande des Rubins generiertes Spannungsbild

Raman- und PL-Spektroskopie im Vergleich

Spektrometer erfassen gleichzeitig Raman- und Photolumineszenz-Emissionen. Wie unterscheiden wir zwischen diesen beiden?

Ein Material emittiert PL-Banden bei konstanten Wellenlängen, die von seiner elektronischen Struktur abhängen. Die Absorptions- und Lumineszenzbanden des Materials ändern sich nicht, auch wenn wir eine andere Anregungswellenlänge verwenden. Gemmologen geben PL-Peaks üblicherweise in Nanometern (nm) an. Physiker, die sich mit Halbleitern beschäftigen, ziehen es vor, PL-Peaks in Elektronenvolt (eV) anzugeben.

Im Gegensatz dazu haben Raman-Banden eine konstante Energiedifferenz im Verhältnis zur Anregungswellenlänge. Die Raman-Spektroskopie misst die Energieänderung bei der Wechselwirkung zwischen Licht und den Energieniveaus molekularer Schwingungen. Bei Raman-Spektren beziehen sich die angegebenen X-Achsenwerte auf die Anregungsquelle. Daher bezeichnen wir die X-Achse als Raman-Verschiebung mit Wellenzahl-Einheiten von cm-1.

Wie sich fluoreszierende Untergründe in Raman-Spektren vermeiden lassen

Bei der Bestrahlung einer Probe mit einem Laser kann sowohl Raman-Streuung als auch Photolumineszenz (PL) auftreten. Fluoreszenz-Emissionen können viel intensiver sein als die Raman-Streuung und eine erfolgreiche Raman-Analyse verhindern. Durch die Wahl einer anderen Laserwellenlängen kann dies vermieden werden. So können die Raman-Banden von der stärksten PL-Emission wegbewegt werden und möglicherweise kommt es dann gar nicht dazu, dass PL auftritt.

Ein gutes Raman-Gerät sollte in der Lage sein, problemlos zwischen verschiedenen Laserwellenlängen zu wechseln. Je nach Ihren Anforderungen können Sie PL-Funktionen dann aus- oder abwählen.

 
Spectra from a conducting polymer

Spektren aus einem leitenden Polymer. Die Anregung mit einem Nahinfrarot-Laser bei 785 nm ermöglicht uns eine klare Beobachtung von Raman-Banden. Wenn wir die Probe mit einem Laser im sichtbaren Bereich bei 514 nm oder 633 nm bestrahlen, werden die Spektren von starken Fluoreszenzuntergründen dominiert. Zur Veranschaulichung haben wir die vertikalen Achsen skaliert.

Was ist Raman-Spektroskopie?

Erfahren Sie noch mehr über die Raman- und Photolumineszenz- (PL-)Spektroskopie. Wir beantworten Ihre Fragen zur Raman-Mikroskopie, schnellen Raman-Bildgebung, Datenauswertung, Fluoreszenz und zu begleitenden Analyseverfahren.

Wissenswertes über Raman-Spektroskopie