FTIR-Spektroskopie bei tiefen Temperaturen –
Je kälter die Probe, desto genauer die Messung
Je tiefer die Temperatur der Probe, desto schärfer die Absorptionsbanden. Diese Faustregel gilt für viele spektroskopische Anwendungen. Unter anderem, da angeregte Zustände weniger oder gar nicht mehr besetzt sind. Durch Messungen bei tiefen Temperaturen lassen sich somit Ergebnisse verbessern und eine höhere Empfindlichkeit erzielen.
Oft bereitet die Integration des Kryostaten in das Spektrometer Kopfzerbrechen. Bei der richtigen Wahl der Hardware ist dies jedoch erstaunlich einfach. Auch, wenn man ein bereits vorhandenes Spektrometer weiterverwenden möchte. Eine mögliche Anwendung für FTIR-Spektroskopie bei tiefen Temperaturen ist die Bestimmung der Konzentration von Dotiersubstanzen anhand des Absorptionsspektrums. Für sehr genaue Messungen wie sie für schwach dotierte Materialien benötigt werden, muss die Probe auf wenige Kelvin abgekühlt werden.
Das CiS-Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik in Erfurt hat solche Messungen durchgeführt. Gemessen wurde Aluminium-dotiertes, multikristallines Silizium bei 10 K. Durch Korrelation mit Vierpunkt-Widerstandsmessungen konnte die Kalibrierung der FTIR-Absorptionsbanden auf Aluminium-Konzentrationen > 1015 cm3 erweitert werden. Dies ermöglichte die Messung der Aluminiumkonzentration in kompensiertem (Bor-, Phosphor- und Aluminium-kodotiertem) Silizium [1].
Für diese Experimente wurde eine Cryostation von Montana Instruments in den Probenraum des vorhandenen FTIR-Spektrometers Tensor 27 von Bruker eingesetzt. In diesem kompakten Kryostaten mit geschlossenem Helium-Kreislauf verfügt die Probenkammer über mehrere Fenster, so dass sie leicht mit verschiedenen Spektrometern kombiniert werden kann. Weiterhin ist der Probenraum leicht zugänglich, was eine einfache und schnelle Probenmontage ermöglicht.
[1] K. Lauer, C. Möller, T. Bartel, and F. Kirscht, “Low-temperature FTIR investigation of aluminum-doped solar-grade silicon,” Energy Procedia, vol. 55, pp. 545–551, 2014.
