EXP:Fluoreszenz von NV-Zentren spektroskopisch untersuchen
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
In diesem Versuch geht es darum, die Fluoreszenz von NV-Zentren im Diamanten sichtbar zu machen und spektroskopsich zu untersuchen.
Benötigtes Material
- Laserdiode 510-540 nm
- Konvexe Linse 75 mm
- Diamant mit NV-Fehlstelle
- Konvexe Linse 100 mm
- Interferenzfilter 625 nm
- Spektrometer + Laptop
- Halterungen (Breadboard, Bases, Posts)
Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau kann mit einem Set von Thorlabs durchgeführt werden, steht das jedoch nicht zur Verfügung, reicht auch eine Metallschiene zur Fixierung der Komponenten. Wie in der nebenstehenden Abbildung zu sehen, werden die Komponenten in derselben Reihenfolge wie im vorigen Abschnitt aufgelistet geradlinig hintereinander justiert. Das grüne Laserlicht wird demnach mit der ersten Linse auf den Diamanten und das entstehende Fluoreszenzlicht wiederum mit der zweiten Linse auf die Öffnung des Spektrometers fokussiert. Das grüne Licht wird auf dem Weg durch den Interferenzfilter heraus gefiltert. Es muss darauf geachtet werden, dass der Abstand der ersten Linse zum Diamanten der Brennweite der Linse entspricht. Die zweite Linse kann in Abständen von 2f-2f (2 mal die Brennweite der Linse in beiden Richtungen) angebracht werden.
Auswertung
Die Fluoreszenz des Diamanten wird zunächst direkt beobachtet. Der Laser wird eingeschaltet und mit der Linse auf den Diamanten ausgerichtet. Beobachtet man den Diamanten aus dem richtigen Winkel, lässt sich ein rotes Schimmern erkennen. Die Fluoreszenz lässt sich noch besser durch den Interferenzfilter beobachten. Das Resultat dieser Variante verdeutlicht rein qualitativ die rote Fluoreszenz.
Im Anschluss wird die rote Fluoreszenz mithilfe des Spektrometers nachgewiesen. Dafür wird mit einem Interferenzfilter das grüne Licht heraus gefiltert, sodass nur die rote Fluoreszenz das Spektrometer erreicht. Mit dem zum Spektrometer gehörenden Computerprogramm kann nun ein Peak im Bereich von 600 nm bis 640 nm beobachtet werden. Da das Signal sehr schwach ist, lohnt es sich, die Erfassungszeit auf 500 ms zu stellen. So hebt sich das Signal stärker vom rauschenden Hintergrund ab. Die Folgenden Diagramme zeigen die Spektren ohne und mit Anregung durch den Laser.
Mögliche Probleme
Durch das vom Diamanten und der umgebenden Plexiglas-Box reflektiertes grünes Laserlicht ist es möglich, dass die rote Fluoreszenz nur sehr schwer zu erkennen ist. In diesem Fall kann die Fluoreszenz auch mit dazwischen gehaltenem Interferenzfilter betrachtet werden, sodass nur das rote Licht betrachtet wird. Als Kontrolle kann man den grünen Punkt des Lasers auf einem Schirm hinter dem Diamanten betrahten, welcher kein rotes Licht aufweist.
Sicherheit
Die größte Gefahrenquelle in diesem Versuch geht vom verwendeten grünen Laserlicht aus. Es ist daher zu verhindern, dass die Schülerinnen und Schüler direkt in den Laserstrahl schauen. Deshalb ist es eine gute Möglichkeit, den fluoreszierenden Diamanten nur über die Kamera eines Smartphones zu betrachten und das Resultat direkt als Foto festzuhalten.
