Karakterisering van Nanocrystal Size Distribution met Raman spectroscopie met een Multi-deeltje Phonon opsluiting Model
Summary
We demonstreren hoe de grootteverdeling van halfgeleider nanokristallen bepalen kwantitatieve wijze met Raman spectroscopie toepassing van een analytisch gedefinieerde meerdere deeltjes fonon opsluiting model. De resultaten zijn in uitstekende overeenkomst met de andere grootte analyse technieken zoals transmissie-elektronenmicroscopie en fotoluminescentie spectroscopie.
Abstract
Analyse van de grootteverdeling van nanokristallen is een kritische vereiste voor de verwerking en optimalisering van de grootte afhankelijke eigenschappen. De gemeenschappelijke technieken ter grootte analyse transmissie elektronenmicroscopie (TEM), röntgendiffractie (XRD) en fotoluminescentie spectroscopie (PL). Deze technieken zijn echter niet geschikt voor het analyseren van het nanokristal grootteverdeling in een snelle, niet-destructieve en betrouwbare wijze tegelijkertijd. Ons doel in dit werk is dat de grootteverdeling van halfgeleider nanokristallen die afhankelijk van hun grootte-afhankelijke fonon opsluiting effecten tonen, kunnen kwantitatief worden bepaald op een niet-destructieve, snelle en betrouwbare wijze met Raman spectroscopie. Bovendien kan grootteverdeling gemengd afzonderlijk worden gesondeerd en hun volumetrische verhoudingen worden geschat met behulp van deze techniek. Om de grootteverdeling te analyseren, hebben we een analytische expressie van een PCM-deeltjes en p formulizedrojected het op een generieke verdelingsfunctie die de grootteverdeling geanalyseerde nanokristal vertegenwoordigt. Als model experiment hebben we de grootteverdeling van vrijstaande nanokristallen van silicium (Si-NC) met multimodale grootteverdeling geanalyseerd. De geschatte omvang distributies zijn in uitstekende overeenkomst met TEM en PL resultaten, waaruit de betrouwbaarheid van ons model.
Introduction
Halfgeleider nanokristallen wijzen als hun elektronische en optische eigenschappen kunnen gevarieerd worden door eenvoudig de grootte in het traject vergelijking met hun respectievelijke exciton-Bohr radii veranderen. 1 Deze unieke grootte-afhankelijke eigenschappen maken deze nanokristallen relevant voor diverse technische toepassingen. Bijvoorbeeld, ladingsvermenigvuldiging effecten waargenomen wanneer een hoog energetisch foton geabsorbeerd door de nanokristallen van CdSe, Si en Ge, kunnen worden gebruikt met het begrip spectrum conversie zonneceltoepassingen, 2 – 4 of grootte-afhankelijke optische emissie van PbS-en Si-NC NC's kunnen worden gebruikt in de licht emitterende diode (LED) toepassingen. 5,6 A precieze kennis en controle op de nanokristal grootteverdeling zal derhalve een beslissende rol in de betrouwbaarheid en prestaties van deze technologische toepassingen gebaseerd spel op nanokristallen.
De gebruikelijke technieken voor de grootte dISTRIBUTIE en morfologie analyse nanokristallen kunnen worden vermeld als röntgendiffractie (XRD), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), spectroscopie fotoluminescentie (PL) en Raman spectroscopie. XRD is een kristallografisch techniek die morfologische informatie van de geanalyseerde materiaal openbaart. Uit de verbreding van de diffractiepiek, schatting van het nanokristal omvang mogelijk, 7 echter het verkrijgen van een duidelijke gegevens gewoonlijk tijdrovend. Bovendien kan XRD alleen de berekening van het gemiddelde van nanokristal grootteverdeling schakelen. In het bestaan van multi-modale grootte distributies, kan de grootte analyse XRD misleidend zijn en leiden tot verkeerde interpretaties. TEM is een techniek die beeldvorming van de nanokristallen mogelijk maakt. 8 Hoewel TEM kan de aanwezigheid van afzonderlijke verdelingen in een multimodale grootteverdeling onthullen, monstervoorbereiding probleem is altijd een poging worden besteed voordat de metingen. Bovendien is het werken op dicht opeengepakte nanocrystal ensembles met verschillende maten betwist vanwege de moeilijkheid van individuele nanokristal beeldvorming. Fotoluminescentiespectroscopie (PL) een optische analysetechniek en optisch actieve nanokristallen kunnen worden gediagnosticeerd. Nanokristal grootteverdeling wordt verkregen van de grootte-afhankelijke emissies. 9 Vanwege de slechte optische eigenschappen van indirecte band gap nanodeeltjes, grote nanokristallen die niet onder effecten opsluiting en defect-rijke kleine nanokristallen kan niet worden gedetecteerd door PL en de waargenomen omvang distributie is beperkt tot nanokristallen met goede optische eigenschappen. Hoewel elk van deze bovengenoemde technieken heeft zijn eigen voordelen, geen van hen hebben het vermogen om aan de verwachtingen (dat wil zeggen, worden snel, niet-destructief en betrouwbaar) van en geïdealiseerde size analysetechniek.
Een ander middel grootteverdeling analyse van nanokristallen is Raman spectroscopie. Raman spectroscopie is op grote schaal beschikbaarin de meeste laboratoria en het is een snelle en niet-destructieve methode. Bovendien, in de meeste gevallen monstervoorbereiding is niet vereist. Raman spectroscopie is een vibratie techniek die kan worden gebruikt om informatie over verschillende morfologieën (kristallijn of amorf) te verkrijgen, en formaat gerelateerde informatie (van de grootte-afhankelijke verschuiving in de phonon modi die in het frequentiespectrum weergegeven) van het geanalyseerde materiaal . 10 Het unieke van Raman spectroscopie is dat, terwijl de grootte-afhankelijke veranderingen worden waargenomen als een verschuiving in het frequentiespectrum, de vorm van de piek fonon (verbreding asymmetrie) geeft informatie over de vorm van het nanokristal grootteverdeling. Daarom is het in principe mogelijk om de nodige informatie, dat wil zeggen, de gemiddelde grootte en de vorm factor van Raman spectrum van de grootteverdeling van nanokristallen geanalyseerd verkrijgen halen. In het geval van multi-modale grootteverdelingen sub-distributies ook afzonderlijk kunnen worden geïdentificeerd via deconvolutie van de experimentele Raman spectrum.
In de literatuur zijn twee theorieën algemeen bedoeld om het effect van nanokristal grootteverdeling van de vorm van het Raman spectrum modelleren. De obligatie polariseerbaarheid model (BPM) 11 beschrijft de polariseerbaarheid van een nanokristal van de bijdragen van alle obligaties in dat formaat. De een-deeltjes fonon opsluiting model (PCM) 10 gebruikt size-afhankelijke fysische grootheden, dat wil zeggen, kristal momentum, phonon frequentie en dispersie, en de mate van opsluiting, de Raman-spectrum van een nanokristal met een bepaalde grootte te definiëren. Omdat deze fysische grootheden afhankelijk van de grootte, kan een analytische representatie van het PCM die uitdrukkelijk worden formulized als functie van nanokristal afmetingen worden gedefinieerd. Projecteert deze uitdrukking een generische grootteverdeling functie derhalve in staat overeenkomt met het effect van de grootteverdeling binnen het PCM, die kan worden gebruikt voor het bepalen nanocrystal grootteverdeling van de experimentele Raman-spectrum. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Eerste discussie punt is de kritische stappen in het protocol. Om overlappende pieken met het materiaal van belang te hebben, is het belangrijk een ander type substraat te gebruiken zoals vermeld in stap 1,2. Bijvoorbeeld, wanneer Si-NC van belang, niet siliciumsubstraat gebruikt voor Raman-metingen. In figuur 1 a, bijvoorbeeld, werden Si-NC gesynthetiseerd op plexiglas substraten die volledig vlakke signaal ruwweg het gebied van belang, namelijk 480-530 cm – 1. Naast het meten van e…
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).
