אפיון התפלגות גודל ננו באמצעות ראמאן ספקטרוסקופיה עם דגם Phonon מאסר רב-חלקיקים
Summary
אנו מדגימים כיצד לקבוע את התפלגות הגודל של nanocrystals מוליכים למחצה באופן כמותי באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן העסקת מודל כליאת פונון רב-חלקיקים מוגדרים באופן אנליטי. תוצאות שהתקבלו הן בהסכם מצוין עם טכניקות ניתוח גודל אחרות כמו מיקרוסקופ אלקטרונים הולכה וספקטרוסקופיה photoluminescence.
Abstract
ניתוח התפלגות הגודל של nanocrystals הוא דרישה קריטית לעיבוד ואופטימיזציה של נכסי הגודל התלוי. הטכניקות הנפוצות המשמשות לניתוח הגודל הן מיקרוסקופ אלקטרונים שידור, קרן ה- X עקיפה (XRD) (TEM) וספקטרוסקופיה photoluminescence (PL). טכניקות אלה, עם זאת, אינן מתאימות לניתוח התפלגות גודל ננו במהירות, שאינו הרסנית ואופן אמין באותו הזמן. המטרה שלנו בעבודה זו היא על מנת להוכיח כי התפלגות גודל של nanocrystals מוליכים למחצה שכפופות להשפעות כליאת פונון גודל תלוי, ניתן להעריך כמותית באופן שאינו הרסני, מהיר ואמין באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן. יתר על כן, הפצות גודל מעורבות יכולות להיות נחקר בנפרד, וניתן לאמוד ביחסי הנפח שלהם באמצעות טכניקה זו. על מנת לנתח את התפלגות הגודל, יש לנו formulized ביטוי אנליטי של PCM אחד-חלקיקים ועמ 'rojected אותו על פונקצית התפלגות כללית שתייצג את התפלגות הגודל של ננו ניתח. כניסוי מודל, יש לנו ניתחנו את התפלגות הגודל של nanocrystals חופשי עומד סיליקון (Si-NCS) עם הפצות גודל רבי מודלי. הפצות הגודל המשוערות הן בהסכם מצוין עם תוצאות TEM וPL, חושפות את האמינות של המודל שלנו.
Introduction
nanocrystals סמיקונדקטור למשוך תשומת לב כיכולים להיות מכוון המאפיינים האלקטרוניים והאופטיים שלהם פשוט על ידי שינוי הגודל שלהם בטווח בהשוואה לרדיוס אקסיטון-והר שלהם. 1 תכונות גודל תלוי הייחודיות אלה הופכות את nanocrystals אלה רלוונטיים עבור יישומים טכנולוגיים שונים. לדוגמא, השפעות כפל מוביל, נצפו כאשר פוטון אנרגיה גבוה נספג על ידי nanocrystals של CdSe, Si, וגה, ניתן להשתמש ברעיון של המרת ספקטרום ביישומי תאים סולריים; 2 – פליטה אופטית 4 או גודל תלוי מ PBS-NCS וסי-NCS ניתן להשתמש באור דיודה יישומים (LED). 5,6 ידע מדויק ושליטה על התפלגות גודל ננו לכן לשחק תפקיד מכריע באמינות וביצועים של יישומים הטכנולוגיים אלה בהתבסס על nanocrystals.
הטכניקות הנפוצות לד הגודלניתוח istribution והמורפולוגיה של nanocrystals יכול להיות רשום כעקיפת רנטגן (XRD), מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), ספקטרוסקופיה photoluminescence (PL), וספקטרוסקופיית ראמאן. XRD הוא טכניקת קריסטלוגרפיים שחושפת מידע מורפולוגי של החומר מנותח. מהרחבת השיא העקיפה, ההערכה של גודל ננו אפשרית, 7 עם זאת, קבלת נתונים ברורים היא בדרך כלל זמן רב. יתר על כן, XRD יכול רק לאפשר חישוב הממוצע של התפלגות גודל ננו. בקיומו של הפצות גודל רבי מודלי, ניתוח גודל עם XRD יכול להיות מטעה ולגרום לפרשנויות שגויות. TEM הוא טכניקה רבת עוצמה המאפשרת הדמיה של nanocrystals. 8 למרות TEM הוא מסוגל לגלות את נוכחותם של הפצות בודדות בגודל הפצה רב מודלי, נושא הכנת מדגם הוא תמיד מאמץ כדי להיות בילה לפני המדידות. בנוסף, עובד על ננו צפוףהרכבי גביש עם גדלים שונים מאתגר בשל הקושי של ההדמיה ננו בודדת. ספקטרוסקופיה photoluminescence (PL) היא טכניקת ניתוח אופטית, ויכול להיות מאובחן nanocrystals הפעיל אופטי. התפלגות גודל ננו מתקבלת מפליטת הגודל תלוי. 9 בשל התכונות אופטי ענייהם של חלקיקים עקיפים להקת פער, nanocrystals הגדול שאינם עונש כליאת אפקטים, וnanocrystals הקטן פגם עשיר לא יכול להיות מזוהה על ידי PL והגודל שנצפה הפצה מוגבלת רק לnanocrystals עם תכונות אופטיות טובות. למרות שכל אחד מטכניקות הנ"ל אלה יש יתרונות משלה, אף אחד מהם יש את היכולת לעמוד בציפיות (כלומר, להיות מהירה, שאינו הרסנית, ואמינה) טכניקת ניתוח גודל ומאידיאלית.
אמצעי נוסף של ניתוח התפלגות גודל של nanocrystals הוא ספקטרוסקופיית ראמאן. ספקטרוסקופיית ראמאן היא זמינה באופן נרחבברוב המעבדות, והוא טכניקה מהירה ולא הרסנית. בנוסף, ברוב המקרים, הכנת מדגם אינה נדרשה. ספקטרוסקופיית ראמאן היא טכניקת רטט, אשר יכול לשמש כדי לקבל מידע על מורפולוגיות שונות (גבישים או אמורפי), ומידע הקשורים לגודל (ממשמרת הגודל תלוי במצבי פונון המופיעים בספקטרום התדרים) של החומר נותח . 10 התכונה הייחודית של ספקטרוסקופיית ראמאן היא ש, תוך שינויים בגודל תלוי הם נצפו כשינוי בספקטרום התדרים, את הצורה של שיא פונון (ההרחבה, סימטריה) נותן מידע על צורת התפלגות גודל ננו. לכן בעיקרון אפשר לחלץ את המידע דרוש, כלומר, גודל הממוצע וגורם צורה, מספקטרום ראמאן להשיג התפלגות הגודל של nanocrystals ניתח. במקרה של חלוקת גודל רב מודלי תת-הפצות יכולות גם להיות מזוהות בנפרד באמצעות deconvolution של ספקטרום ראמאן הניסיוני.
בספרות, שתי תיאוריות נפוצות המכונות מודל ההשפעה של התפלגות גודל ננו בצורה של ספקטרום ראמאן. מודל אג"ח הקיטוב (BPM) 11 מתאר את הקיטוב של ננו מהתרומות של כל איגרות החוב בגודל זה. מודל אחד-חלקיקי כליאת פונון (PCM) 10 משתמש משתני גודל תלוי פיזיים, כלומר, מומנטום גביש, תדירות פונון ופיזור, והתואר של כליאה, כדי להגדיר את ספקטרום ראמאן של ננו עם גודל מסוים. מאז משתנים הפיזיים אלה תלויים בגודל, ייצוג אנליטי של PCM שניתן formulized במפורש כפונקציה של גודל ננו יכול להיות מוגדר. הקרנת ביטוי זה על פונקצית התפלגות גודל הגנרית לכן תוכל להסביר את ההשפעה של התפלגות גודל בתוך PCM, אשר יכול לשמש כדי לקבוע nanocrהפצת ystal גודל מספקטרום ראמאן הניסיוני. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
נקודת הדיון הראשונה היא השלבים הקריטיים בפרוטוקול. על מנת שלא יצטרכו פסגות חופפות עם החומר של עניין, חשוב להשתמש בסוג אחר של חומר מצע כאמור בשלב 1.2. לדוגמא, אם סי-NCS הם עניין, לא משתמש במצע סיליקון למדידות ראמאן. באיור 1, למשל, Si-NCS היו מסונתז על מצעי פרספקס, שיש ל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was part of the research programme of the Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM), which is part of the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO). Authors of this work thank M. J. F. van de Sande for skillful technical assistance, M. A. Verheijen for TEM images, and the group of Tom Gregorkiewicz for PL measurements.
Materials
| Raman Spectroscopy | Renishaw | In Via | Equipped with 514 nm Ar ion laser |
| Wire 3.0 | Renishaw | Raman spectroscopy record tool | |
| Mathematica | Wolfram | For fitting function and size determination | |
| Substrate | Plexiglass (to avoid signal coincidence with Si-NCs) | ||
| Si wafer | Reference to Si-NC peak position | ||
| Photoluminescence Spectroscopy | 334 nm Ar laser. For optical size distribution. | ||
| Transmission Electron Microscopy | Beam intensity 300 kV. For nanocrystal size and morphology determination. |
References
- Goller, B., Polisski, S., Wiggers, H., Kovalev, D. Freestanding spherical silicon nanocrystals: A model system for studying confined excitons. Appl Phys Lett. 97 (4), 041110 (2010).
- Luo, J. -. W., Franceschetti, A., Zunger, A. Carrier multiplication in semiconductor nanocrystals: theoretical screening of candidate materials based on band-structure effects. Nano lett. 8 (10), 3174-3181 (2008).
- Govoni, M., Marri, I., Ossicini, S. Carrier multiplication between interacting nanocrystals for fostering silicon-based photovoltaics. Nat. Photonics. 6 (September), 672-679 (2012).
- De Boer, W. D. A. M., Gregorkiewicz, T., et al. Step-like enhancement of luminescence quantum yield of silicon nanocrystals. Nat nanotechnol. 6 (11), 1-4 (2011).
- Sun, L., Choi, J. J., et al. Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacing control. Nat nanotechnol. 7 (6), 369-373 (2012).
- Maier-Flaig, F., Rinck, J., et al. Multicolor Silicon Light-Emitting Diodes (SiLEDs). Nano lett. 13 (2), 1-6 (2013).
- Patterson, A. L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination. Phys Rev. 56 (10), 978-982 (1939).
- Borchert, H., Shevchenko, E. V., et al. Determination of nanocrystal sizes: a comparison of TEM, SAXS, and XRD studies of highly monodisperse CoPt3 particles. Langmuir. 21 (5), 1931-1936 (2005).
- Heitmann, J., Müller, F., Zacharias, M., Gösele, U. . Silicon Nanocrystals: Size Matters. Adv Mat. 17 (7), 795-803 (2005).
- Faraci, G., Gibilisco, S., Russo, P., Pennisi, A., La Rosa, S. Modified Raman confinement model for Si nanocrystals. Phys Rev B. 73 (3), 1-4 (2006).
- Zi, J., Büscher, H., Falter, C., Ludwig, W., Zhang, K., Xie, X. Raman shifts in Si nanocrystals. Applied Physics Letters. 69 (2), 200 (1996).
- Doğan, &. #. 3. 0. 4. ;., van de Sanden, M. C. M. Direct characterization of nanocrystal size distribution using Raman spectroscopy. J. Appl. Phys. 114, 134310 (2013).
- Doğan, I., Kramer, N. J., et al. Ultrahigh throughput plasma processing of free standing silicon nanocrystals with lognormal size distribution. J. Appl. Phys. 113, 134306 (2013).
- Doğan, &. #. 3. 0. 4. ;., Weeks, S. L., Agarwal, S., van de Sanden, M. C. M. Nucleation of silicon nanocrystals in a remote plasma without subsequent coagulation. J Appl Phys. 115 (24), 244301 (2014).
- Doğan, &. #. 3. 0. 4. ;., Westermann, R. H. J., van de Sanden, M. C. M. Improved size distribution control of silicon nanocrystals in a spatially confined remote plasma. Plasma Sources Sci. Technol. 24, 015030 (2015).
- Delerue, C., Allan, G., Lannoo, M. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon. Phys Rev B. 48 (15), 11024 (1993).
- Boufendi, L., Jouanny, M. C., Kovacevic, E., Berndt, J., Mikikian, M. Dusty plasma for nanotechnology. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (17), 174035 (2011).
- Wellner, A., Paillard, V., et al. Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide. J Appl Phys. 94 (2003), 5639-5642 (2003).
- Faraci, G., Gibilisco, S., Pennisi, A. R. Quantum confinement and thermal effects on the Raman spectra of Si nanocrystals. Phys. Rev. B. 80 (19), 1-4 (2009).
- Roodenko, K., Goldthorpe, I. A., McIntyre, P. C., Chabal, Y. J. Modified phonon confinement model for Raman spectroscopy of nanostructured materials. Phys. Rev. B. 82 (11), 115210 (2010).
- Diéguez, A., Romano-Rodrı́guez, A., Vilà, A., Morante, J. R. The complete Raman spectrum of nanometric SnO[sub 2] particles. J. Appl. Phys. 90 (3), 1550 (2001).
- Bersani, D., Lottici, P. P., Ding, X. -. Z. Phonon confinement effects in the Raman scattering by TiO[sub 2] nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 72 (1), 73 (1998).
- Lipp, M., Baonza, V. G., Evans, W. J., Lorenzana, H. E. Nanocrystalline diamond: Effect of confinement, pressure, and heating on phonon modes. Phys. Rev. B. 56 (10), 5978-5984 (1997).
