relazione laboratorio di struttura della materia
DESCRIPTION
Relazione Laboratorio di Struttura della MateriaTRANSCRIPT
-
Caratterizzazione del diodo
laser e misura della densit
atomica in cella di un vapore di
rubidio
Relazione di:
Tommaso Iaquinta, Teodora Palmas,
Jacopo Soldateschi, Marta Taddei
-
Introduzione e strumenti utilizzati:
CELLA DI PELTIER
La cella di Peltier un dispositivo termoelettrico formato da una sottile piastra, che funziona per
effetto Peltier. Una delle due superfici assorbe il calore mentre l'altra lo emette. La direzione in cui
il calore viene trasferito dipende dal verso della corrente applicata ai capi del dispositivo (effetto
Peltier) .
DIODO LASER GaAs
SEMICONDUTTORI
I materiali si dividono in conduttori, semiconduttori e isolanti.
Nella figura (a) mostrata la struttura a bande di un conduttore:come si vede la banda di energia pi
alta contenente elettroni parzialmente occupata, vi sono cio degli stati liberi sopra al livello di
Fermi. Se applichiamo un campo elettrico E, gli elettroni di questa banda possono incrementare la
loro quantit di moto in direzione opposta al campo, creando cos una corrente.
Nella figura (b) mostrata la struttura di un isolante: la banda di energia pi alta contenente
elettroni completa e l'intervallo proibito sovrastante (Eg) di dimensioni considerevoli; da ci
Illustrazione: Le bande complete sono colorate; le bande vuote sono grigie; il triangolo nero
indica il livello di Fermi per il conduttore.
-
segue che, pur applicando un campo elettrico, nessun elettrone ha la possibilit di reagire e dunque
nel materiale isolante non si crea nessuna corrente.
Nella figura (c) mostrata la struttura di un semiconduttore: qui l'intervallo proibito Eg limitato e
superabile da elettroni per eccitazione termica (a basse temperature sono isolanti, al crescere della
temperatura invece aumenta la conducibilit). Cos possiamo trovare alcuni elettroni nella banda di
conduzione; nel loro passaggio tali elettroni hanno lasciato delle lacune (che hanno massa e
cammino libero medio prossimi a quelli degli elettroni) nella banda di valenza.
I semiconduttori si dividono in due gruppi: i semiconduttori intrinseci (cristallo semiconduttore
perfetto, senza impurezze) e i semiconduttori estrinseci o drogati ottenuti introducendo impurit nel
reticolo cristallino, ossia sostituendo atomi del semiconduttore con atomi di altri elementi.
DIODO LASER (light amplification by stimulated emission of radiation)
Il funzionamento del diodo laser si basa sul processo di inversione di popolazione di elettroni che,
pompati nella banda di conduzione, lasciano lacune nella banda di valenza (il mezzo responsabile
dell'emissione stimolata un solido semiconduttore di GaAs).
Come si vede dall'immagine sopra, il mezzo in cui avviene l'emissione collocato tra la zona p
(GaAlAs) e la zona n (GaAlAs), caratterizzate da un intervallo di energia proibita pi ampio di
quello del mezzo attivo.
Inoltre, caratteristica importante il loro minore indice di rifrazione n, che fa s che la radiazione
uscente sia confinata per riflessione totale interna (confinamento ottico). La zona attiva costituisce
una cavit Fabry-Perot (le estremit sono lavorate in modo da ottenere superfici piane e parallele
che riflettano una certa porzione dell'onda elettromagnetica: i fotoni emessi vengono riflessi pi
volte dalle due superfici. Questi molteplici passaggi determinano un'amplificazione del fascio stesso
(per emissione stimolata), ma anche una perdita per assorbimento e per riflessioni non totali sulle
due superfici.
Il diodo laser viene utilizzato in modalit di polarizzazione diretta: le lacune provenienti dalla
-
regione p vanno a inserirsi nella regione n (dove gli elettroni sono i portatori maggioritari di carica),
gli elettroni dalla regione n si inseriscono nella regione p, (dove le lacune sono i portatori
maggioritari). Tuttavia, alcuni elettroni e lacune diffondono anche nella zona attiva (strato attivo
GaAs). Riassumendo, l'inversione di popolazione si ottiene inserendo cariche nella zona attiva,
giunzione tra una zona p e una zona n. Qui, elettrone e lacuna possono ricombinarsi per emissione
spontanea, ossia l'elettrone pu rioccupare lo stato energetico della lacuna, emettendo un fotone con
un'energia uguale alla differenza tra gli stati dell'elettrone e della lacuna coinvolti. Questi elettroni e
lacune iniettati rappresentano la corrente di iniezione del diodo.
Il diodio laser caratterizzato da una corrente di soglia al di sotto della quale il processo di
emissione solo spontaneo (il diodo laser funziona come un diodo led).
CELLA A RUBIDIO
Cella cilindrica contenete vapori di Rubidio.
Nel secondo esperimento abbiamo posto la nostra cella su un foglio di sughero isolante forato al
centro, in prossimit del bulbo della cella e poggiato su base metallica contenente un vano con
acqua, necessario per ottenere una temperatura costante uniformemente distribuita. Nel vano
abbiamo anche inserito un termometro.
EFFETTO LIAD (Light Induced Atomic Desorption)
Prima che tale effetto venisse scoperto non si riusciva a trovare una spiegazione al fatto che
aumentando l'intensit della luce incidente sulla cella (le cui superfici sono ricoperte da particolari
polimeri organici) aumenta la densit atomica del vapore di gas contenuto in essa. Questo
comportamento deriva proprio dall'effetto LIAD: il polimero organico adsorbe gli atomi metallici
presenti nei vapori del gas della cella (notiamo dunque una diminuzione della pressione). In seguito,
-
se stimolato da radiazione, il polimero rilascia tali atomi nel gas.
FOTODIODO
Il fotodiodo un componente che funziona come trasduttore, ossia riceve in ingresso un segnale
ottico e produce in uscita un segnale elettrico. Il fotodiodo un diodo a semiconduttore con
giunzione p-n drogata asimmetricamente.
Il fotodiodo, dunque, un dispositivo costituito da cristalli di silicio drogati maggiormente a
un'estremit, chiamata zona p e corrispondente all'anodo, con atomi trivalenti (solitamente Boro), e
in misura minore all'altra, chiamata zona n e corrispondente al catodo, con atomi pentavalenti
(spesso Arsenico). Nell'area interposta tra le due zone (congiunzione) c' una barriera di potenziale.
Strutturalmente la zona p, collocata in prossimit della porzione esterna del fotodiodo, rivestita da
uno strato antiriflesso, sopra al quale posizionata una lente che collima i raggi luminosi rendendoli
perpendicolari alla superficie incidente, e corredata da due elettrodi in ossido di silicio.
Ci sono due diversi modi di funzionamento del diodo a giunzione che dipendono da come si collega
il dispositivo ad una batteria.
Applicando una tensione V con il morsetto negativo alla zona p e con il morsetto positivo alla zona
n, il diodo polarizzato inversamente. Questo tipo di polarizzazione comporta un campo elettrico,
dovuto alla batteria collegata, nella stessa direzione del campo del diodo, portando ad un
allargamento della regione di congiunzione, ad una maggiore barriera (V -> V+V) e dunque ad una
riduzione del flusso di cariche maggioritarie. Cio, gli elettroni dal lato n e le lacune dal lato p
Zona p, zona di svuotamento , zona n.
Sotto: campo elettrico e barriera di
potenziale nella giunzione
-
incontrano maggiore difficolt ad attraversare l'area interposta tra le due zone.
Invece, i portatori di carica minoritari, cio le lacune dal lato n e gli elettroni dal lato p, non
risentono della barriera di potenziale e il loro spostamento crea la corrente di saturazione inversa Is.
Nel momento in cui un fotone incide sulla superficie del fotodiodo (illuminiamo la zona p) se
l'energia E=hv maggiore del bandgap tra banda di valenza e banda di conduzione del dispositivo,
si crea una coppia elettrone-lacuna libera, ossia un elettrone eccitato in banda di conduzione ed una
lacuna in banda di valenza. La coppia soggetta al campo elettrico generato dalla differenza di
potenziale applicata, dunque l'elettrone attratto verso la zona n, mentre la lacuna verso la zona p.
Nel fotodiodo si genera una corrente inversa proporzionale al numero di fotoni.
Se il morsetto positivo del generatore di tensione viene collegato al lato p e quello negativo al lato
n, si ha polarizzazione diretta. In questo caso, diminuisce la barriera di potenziale (V -> V-V) fino
alla totale scomparsa. Gli elettroni della zona n (portatori maggioritari) si spostano verso la zona p e
le lacune dalla zona p si muovono verso la zona n; ci d origine ad una corrente diretta nel diodo
che aumenta linearmente al crescere della tensione applicata. Esiste dunque un valore di soglia che
la batteria deve fornire solo per vincere la barriera. Il fotodiodo in modalit di polarizzazione diretta
si comporta come un comune diodo. Tuttavia non progettato per tale utilizzo perch il
surriscaldamento dovuto al passaggio della corrente danneggia gli elementi ottici.
Il funzionamento del fotodiodo a giunzione riassumibile nell'equazione
dove Ip la fotocorrente proporzionale al numero di fotoni.
IeV /V 0 I sI p
-
I fotodiodi a giunzione p-n tuttavia presentano un limite: i fotoni che incidono al di fuori della zona
di svuotamento creano una distorsione nella risposta del diodo (le coppie elettrone e lacuna non
risentono del campo elettrico presente nella zona di svuotamento e quindi non forniscono alcun
contributo alla corrente del fotodiodo). Per superare tale limite necessario ridurre la dimensione
delle regioni p ed n ed aumentare la dimensione della zona di svuotamento, inserendo un materiale
semiconduttore intrinseco (non drogato).
MISURATORE DI POTENZA LUMINOSA
Nella prima esperienza abbiamo collegato tale strumento al fotodiodo per calcolare le variazioni
della potenza in uscita dal diodo laser e dimostrare la dipendenza dalla temperatura e dalla corrente.
-
Procedimento:
1. Caratterizzazione del diodo laser:
Abbiamo visto come la potenza del diodo varia in funzione della corrente a varie temperature.
Come previsto dalla teoria, esiste una corrente di soglia sotto la quale si ha solo emissione
spontanea incoerente, e quindi la potenza prodotta minima. Per valori di corrente superiori alla
soglia si ha emissione stimolata coerente e quindi la potenza in uscita ha un andamento molto pi
ripido.
Inoltre, all'aumentare della temperatura, la curva caratteristica del diodo laser si sposta verso
destra. Ovvero, a parit di corrente iniettata, la potenza emessa diminuisce all'aumentare della
temperatura.
Riportiamo i dati relativi alle osservazioni:
30C
I(mA) P(microW)
0 0
3 1,21
5 2,53
6 3,32
9 5,99
10 6,89
12 9,09
15 12,86
16 14,36
19 19,39
20 21,34
25 35,11
27 43,66
29 56,03
30 64,83
31 77,38
32 95,07
33 132,4
34 223,3
34,5 374,8
35 613,7
36 1175
37 1777
40 3484
45 6350
50 9243
55 12200
60 15120
65 18120
70 21140
75 24280
80 27290
85 30500
90 33620
95 36790
100 40020
105 43230
05
1015
2025
3035
4045
5055
6065
7075
8085
9095
100105
110
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
-
40C
20C
I(mA) P(microW)
0 0
1,1 0,26
3,3 1,3
5 2,4
7,4 4,19
10 6,66
11,8 8,46
15,4 12,88
17 15,1
20,5 21,23
25,2 32,93
30,5 58,81
35,3 162
36,3 313,6
37 614,6
37,9 1148
39,5 2062
45 5263
50,6 8540
55,5 11440
60,3 14300
65,2 17250
69,8 20050
75,5 23630
79,8 26310
85,3 29780
90,3 32880
95,2 35940
99,9 38900
105,6 42630
05
1015
2025
3035
4045
5055
6065
7075
8085
9095
100105
110115
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
I(mA) P(microW)
0 0
1 0,26
3,4 1,48
5,3 2,8
6,9 3,97
10,1 7
11,6 8,66
15,1 13,17
17,2 16,54
20,4 22,98
24,8 36,25
30,4 88,64
31,2 105,5
32,7 314,2
33,5 658
35,1 1574
40,1 4440
45,3 7373
50,2 10110
55,3 13050
60,5 16120
65,4 18980
70,5 22050
75 24890
79,9 27880
85 31040
90 34180
94,9 37170
100,3 40600
105,3 43930
05
1015
2025
3035
4045
5055
6065
7075
8085
9095
100105
110115
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
-
Da cui otteniamo il seguente grafico finale:
2. Misura della densit atomica in cella:
Tramite un sistema di specchi abbiamo condotto il fascio al foto-diodo dopo averlo fatto passare
attraverso la cella contenente vapore di Rb. Essendo il rivelatore collegato all'oscilloscopio,
potevamo visualizzare la curva dell'intensit prodotta in funzione della frequenza del laser per
diverse temperature e diversi cammini ottici.
Collegando poi l'oscilloscopio al computer, tramite il programma di acquisizione dati Origin,
abbiamo potuto analizzare i vari grafici per ricavare la trasmissione del segnale, T=I/I0, in
corrispondenza dei picchi di assorbimento.
Dalla teoria sappiamo che:
Dove:
la sezione d'urto di assorbimento
N la densit atomica
L il cammino di assorbimento
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Caratteristica Diodo Laser
Corrente di Soglia al Variare della Temperatura
30C
40C
20C
I(mA)
P(m
icro
W)
I=I 0 eNL
-
Inoltre, dipende dalla forma della riga di assorbimento che, in questo caso, data
dall'allargamento Doppler. Quindi,
Infine, la densit atomica data da:
Per il Rb:
gm =4
gn=2
sp= vita media per emissione spontanea
La corrente di iniezione era variabile secondo un'onda triangolare. Dato che la frequenza di
emissione del diodo laser dipende dalla corrente in ingresso, avevamo una spazzata di frequenze
all'interno della quale erano presenti i picchi di assorbimento.
Abbiamo poi misurato il rapporto I/I0 per un cammino ottico di 3L, 2L, 1L, dove L=8,4cm la
lunghezza della cella, e per diverse temperature.
Cammino ottico 3L
Saturazione
Abbiamo visto che il grafico dell'assorbimento saturato quello di seguito, da cui
abbiamo estrapolato il valore di I0 :
=
2
4 ln2
1D
g m
gn
1sp
N=1
Lln
I
I 0
-
20C
-
Cammino ottico 2L
20C
Cammino ottico 1L
Assorbimento saturato:
-
13C
20C
-
20,4C
22,6C
-
32,6C
47,3C
-
52,6C
55,9C
-
Riportiamo i valori delle intensit dei picchi di assorbimento e della FWHM e il valore calcolato
della densit atomica N:
3. Verifica dell'effetto LIAD:
Il LIAD consiste in una emissione di atomi stimolata da radiazione non risonante da superfici di
polimeri organici. Si tratta di un effetto prettamente non termico, di natura del tutto diversa dal
desorbimento causato da intensi impulsi laser che provocano un consistente surriscaldamento della
zona di incidenza, producendo una radicale alterazione dello stato fisico del materiale, infatti
abbiamo rilevato una temperatura costante di 21,9 C durante l'illuminazione della cella. Il
fenomeno si manifesta attraverso una copiosa emissione di atomi dai film organici illuminati da
radiazione incidente anche non laser: infatti nel nostro caso abbiamo utilizzato una fonte di
radiazioni da 410nm. Il polimero organico, in un primo momento, assorbe gli atomi metallici
presenti nella fase gassosa della cella, favorendo la diminuzione di pressione; successivamente, se
stimolato da radiazione, rilascia tali atomi nel gas. L'intensit dell'effetto LIAD decresce con la
diminuzione della potenza luminosa o con l'aumentare della lunghezza d'onda, cio col diminuire
Temperatura (C) Lunghezza 1L Lunghezza 1L
Intensit (mV) intensit (mV)
13 1,17 1,70E-003 0,42 2,30E-003
20,4 0,66 1,80E-003 0,36 2,20E-003
32,6 1,6 2,00E-003 0,93 2,30E-003
47,3 2,8 2,00E-003 1,86 2,60E-003
52,6 2,91 2,30E-003 2,01 2,70E-003
55,9 2,86 1,70E-003 2 2,00E-003
20 0,48 1,80E-003 0,28 2,10E-003
22,6 0,63 1,70E-003 0,35 2,10E-003
Lunghezza 2L Lunghezza 2L
20 1,04 1,80E-003 0,49 2,70E-003
Lunghezza 3L Lunghezza 3L
20 0,22 1,80E-003 0,13 2,10E-003
FWHM (0,0001 hz) FWHM (0,0001 hz)
Temperatura (C) N picco sinistro N picco destro
Lunghezza 1L Lunghezza 1L
13 2,00E+016 2,38E+016
20,4 2,21E+016 2,43E+016
32,6 1,89E+016 2,09E+016
47,3 1,69E+016 1,84E+016
52,6 1,67E+016 1,81E+016
55,9 1,68E+016 1,81E+016
20 2,33E+016 2,53E+016
22,6 2,23E+016 2,44E+016
Lunghezza 2L Lunghezza 2L
20 2,05E+016 2,32E+016
Lunghezza 3L Lunghezza 3L
20 2,65E+016 2,84E+016
-
dell'energia dei singoli fotoni. Abbiamo inoltre osservato che ll rilassamento del sistema pi lento
della sua eccitazione. Riportiamo in tabella i valori delle intensit e delle FWHM registrate per i
picchi sinistro e destro; questo ci hanno permesso di ricavare i valori delle densit atomiche in
atomi per metro cubo, a destra.
Conclusioni:
Per quanto riguarda la caratterizzazione del diodo laser, abbiamo ottenuto delle curve in accordo
con quelle previste dalla teoria: esiste una corrente di soglia di circa 33mA per una temperatura di
20C, che aumenta con l'incrementare della temperatura.
I risultati ottenuti per la densit atomica sono di due ordini di grandezza superiori ai valori in
letteratura: circa 2 *1016 atomi per metro cubo.
Sicuramente, parte dell'errore dovuto all'approssimazione con la quale abbiamo calcolato le
intensit dei picchi e le FWHM a partire dai grafici.
Infine, abbiamo effettuato una verifica dell'effetto LIAD: la densit atomica nella cella ricoperta
internamente di un certo polimero organico cresce all'aumentare della potenza luminosa incidente
su di essa.
Picco sinistro Picco destro Picco sinistro Picco destro
I I FWHM FWHM N
Luce spenta 0,69 0,37 0,0017 0,0019 7,0371E+015
Luce accesa (debole) 2,5 1,65 0,002 0,0024 1,1724E+016
Luce accesa (forte) 2,85 2,43 0,0018 0,0025 1,2201E+016