Приборы и техника эксперимента, 2022, № 1, стр. 97-99

Фотолюминесцентная спектроскопия является одним из наиболее информативных методов исследования полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами. Анализ спектров фотолюминесценции с привлечением современных теоретических моделей позволяет получить сведения о многих фундаментальных свойствах гетероструктур: о зонной структуре, об энергии двумерных состояний и их заполнении, о процессах коллективного взаимодействия носителей, о процессах дефектообразования и т.д. [1, 2]. В наших работах фотолюминесцентные исследования гетероструктур проводились с помощью автоматизированного спектрального комплекса на базе монохроматора МДР-23, спектральный диапазон которого (0.2–2 мкм) достаточен для изучения широкого класса полупроводниковых материалов.

Для автоматизации спектральных измерений долгое время успешно применялся крейт КАМАК, связанный с персональным компьютером (ПК) с помощью интерфейсной карты стандарта ISA. Затем началось применение микроконтроллерных систем. Так, в статье [3] для сопряжения блока КАМАК с компьютером по шине USB предлагалось вместо интерфейсной карты использовать систему, разработанную на базе микроконтроллера AT89C5131A либо модуля DLP-USB245M. При этом пользователь должен сам определить алгоритм взаимодействия компьютера с контроллером и “зашить” соответствующие микропрограммы в эти устройства, что существенно усложняет программное исполнение работы. В работе [4] приведен пример сопряжения монохроматора МДР-23 и фотоумножителя (ф.э.у.) с компьютером при помощи внешнего модуля E14-440, подключенного по шине USB. Монохроматор оборудован блоком управления шаговым двигателем (БУШД), обеспечивающим скорость поворота решетки примерно 0.1 нм/с, и реперным устройством для считывания длин волн. Программа для ПК в цикле сохраняла в памяти пять оцифрованных аналоговых сигналов с ф.э.у. плюс считанное с цифровых выходов реперного устройства значение номера текущей метки. Минимальный интервал следования меток составлял 1 нм, поэтому предлагаемое техническое решение не может обеспечить необходимую в наших экспериментах точность регистрации длины волны 0.2 нм.

Для автоматизации спектральных установок с монохроматорами МДР-23 [5] и МДР-12 [6] были специально разработаны модули на базе микроконтроллеров ATmega85385 и PIC18F448-IP соответственно, в которых интегрированы 10-разрядные аналого-цифровые преобразователи (а.ц.п.). Для управления шаговым двигателем в этих модулях использовались специально подобранные полевые транзисторы.

В данной работе нами была поставлена задача разработать систему автоматизации на базе платы Netduino 2, использующей микроконтроллер STM32F205RF [7]. Этот микроконтроллер был выбран, в первую очередь, так как в него интегрированы 12-разрядные, а не 10-разрядные а.ц.п. Такое техническое решение позволило расширить динамический диапазон измерений и избежать необходимости переключения коэффициента усиления сигнала во время отдельного измерения. Программировать микроконтроллер STM32F205RF можно как на отладочной плате [8], так и непосредственно в Netduino 2 [9]. В нашем случае было целесообразно использовать Netduino 2, поскольку программисту удобнее писать две программы (одну для микроконтроллера, другую – для интерфейса) в одной среде разработки Microsoft Visual Studio.

Блок-схема спектральной установки, в которой плата Netduino 2 используется для связи монохроматора МДР-23 и фотоприемника с компьютером, приведена на рис. 1. Поворот решетки монохроматора осуществляется четырехфазным индукторным шаговым двигателем ШДР-711 через БУШД по двум сигнальным линиям. На первый из шестнадцати цифровых выходов Netduino 2 подаются периодические П-образные импульсы со скважностью 4. Частота импульсов определяется выбранными скоростью развертки спектра и видом решетки, заданными техническими характеристиками шагового двигателя и синусного механизма. БУШД преобразует импульсы в четыре взаимно сдвинутых на четверть периода сигнала, которые усиливаются и подаются на соответствующие обмотки шагового двигателя. Уровень сигнала 0/1 на второй линии задает прямое/обратное направления поворота решетки монохроматора. Автоматическая, обеспечиваемая кнопочным интерфейсом БУШД, скорость развертки спектра для решетки 1200 штрихов/мм находится в пределах от 0.2 до 40 нм/мин в режиме измерений и до 80.0 нм/мин в режиме быстрого поворота дифракционной решетки при ее возврате в исходное положение. Опытным путем было определено, что при скорости, большей 30 нм/мин, возникает расхождение между расчетной и фактической длинами волны излучения на выходе монохроматора. Один аналоговый порт Netduino 2 используется для оцифровки данных с выхода селективного нановольтметра. Прием/передача данных между Netduino 2 и ПК происходит при помощи интерфейсной платы COM-USB адаптера.

Рис. 1.

Блок-схема установки для спектральных измерений фотолюминесценции. ИФВ – источник фотовозбуждения, ОФ₁, ОФ₂ – оптические фильтры, М – механический модулятор, ОЛ₁, ОЛ₂ – оптические линзы, Обр – исследуемый образец, ОК – оптический криостат, К – коллиматор, МДР-23 – монохроматор, ФП – фотоприемник, НВ – селективный нановольтметр Unipan 237, П – плата Netduino 2, БУШД – блок управления шаговым двигателем, ПК – персональный компьютер.

На этапе программирования через штатный USB-порт платы из ПК в микроконтроллер Netduino 2 загружается специально подготовленная циклически работающая программа, осуществляющая следующие операции: прием/передачу данных по UART, управление двумя цифровыми и одним аналоговым портом. В процессе работы, приняв команду о начале измерения, которая содержит информацию о направлении поворота решетки монохроматора, скорости развертки спектра и количестве измеряемых точек N, плата Netduino 2 устанавливает уровень 0/1 на вторую линию управления БУШД, после чего N раз в цикле генерирует рассчитанное количество П-образных импульсов, выполняет а.ц.п.-преобразование сигнала с аналогового порта и передает полученный результат в ПК.

Вид экрана ПК при работе программы для регистрации спектров фотолюминесценции представлен на рис. 2. В верхней части экрана расположены элементы, с помощью которых задаются параметры измерения спектров: начальная и конечная длины волны, тип и направление поворота дифракционной решетки, шкала усиления нановольтметра. При начале цикла измерений программа вычисляет количество измеряемых точек, посылает соответствующие управляющие команды в Netduino 2, после завершения измерений получает результаты измерений и рисует график. Длина волны на выходе монохроматора зависит от типа решетки: для решетки 1 (1200 штрихов/мм) она соответствует показаниям счетчика, для решетки 2 (600 штрихов/мм) показания счетчика нужно умножать на два. Диапазон оси ординат от 0 до 4097 соответствует полному диапазону 12-разрядного а.ц.п. Перед запуском измерения (кнопка “Старт”) необходимо вручную с помощью кнопочного интерфейса БУШД установить показание счетчика монохроматора в соответствии с начальным значением: начальная длина волны – для прямого хода, конечная – для обратного. После завершения измерения каждого спектра рекомендуется проверить соответствие заданного финального значения длины волны по показанию счетчика монохроматора. Спектр разворачивается со скоростями 28 нм/мин и 14 нм/мин соответственно для решеток 1 (1200 штрихов/мм) и 2 (600 штрихов/мм).

Рис. 2.

Вид экрана ПК при завершении программы для регистрации спектров.

Для контроля качества передачи данных в процессе измерения спектра в верхнем левом углу экрана отображаются три числа: первое число – количество уже измеренных точек, второе число – планируемое количество измеряемых точек, третье число – количество точек, данные от которых не поступили. При отсутствии поступивших данных на экране отображается амплитуда сигнала, соответствующая значению при предыдущей длине волны. Цвет верхнего левого квадрата (зеленый/красный) под надписью “COM модуль подключен” указывает на наличие/отсутствие связи между платой Netduino 2 и ПК. После завершения измерения спектра данные сохраняются в файле. В файл записывается амплитуда сигнала с учетом шкалы нановольтметра, которая до начала измерений выбирается так, чтобы максимальный уровень выходного сигнала превышал половину шкалы а.ц.п.

Разработанная на базе платы Netduino 2 система управления монохроматором МДР-23 предусматривает обработку исходных спектров с помощью программы, позволяющей проводить следующие операции: перестроение на шкалу энергий (для удобства анализа и идентификации полос), исключение фоновой засветки, учет спектральных характеристик монохроматора, фотоприемника и фильтров, нормировку спектров. Созданная система дает возможность полностью использовать функционал монохроматора [10] и может быть полезна разработчикам спектральных систем.