Charakterisierung von Nanokristallgrößenverteilung mittels Raman-Spektroskopie mit einem Multi-Partikel Phonon Confinement Modell
Summary
Wir zeigen, wie man die Größenverteilung der Halbleiter-Nanokristalle in einer quantitativen Weise zu bestimmen unter Verwendung der Raman-Spektroskopie unter Verwendung eines analytisch definierten Mehrkorn Phonon-Confinement-Modell. Die erhaltenen Ergebnisse sind in hervorragender Übereinstimmung mit den anderen Größenanalyse-Techniken wie Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenz-Spektroskopie.
Abstract
Analyse der Größenverteilung der Nanokristalle ist eine kritische Anforderung für die Verarbeitung und Optimierung ihrer größenabhängigen Eigenschaften. Die allgemeinen Techniken zur Größenanalyse verwendet werden, sind die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenbeugung (XRD) und Photolumineszenz (PL). Diese Techniken eignen sich jedoch nicht für die Analyse der Nanokristallgrößenverteilung in einem schnellen, zerstörungsfreie und zuverlässige Weise zur gleichen Zeit jedoch nicht. Unser Ziel bei dieser Arbeit ist, dass die Größenverteilung des Halbleiter-Nanokristalle, die einer größenabhängigen Phonon Confinement-Effekte sind zu demonstrieren, kann quantitativ in einer zerstörungsfreien, schnelle und zuverlässige Art und Weise unter Verwendung der Raman-Spektroskopie bestimmt werden. Außerdem können Mischgrößenverteilungen getrennt untersucht werden, und ihre jeweiligen Volumenverhältnisse können mit Hilfe dieser Technik geschätzt werden. Um die Größenverteilung zu analysieren, haben wir eine analytische Ausdruck Einteilchen- PCM und p formulizedrojected es auf eine generische Verteilungsfunktion, die die Größenverteilung der analysierten Nanokristall vertreten wird. Als Modellversuch haben wir die Größenverteilung der freistehende Silizium-Nanokristallen (Si-NCs) mit multimodalen Größenverteilungen analysiert. Die geschätzten Größenverteilungen sind in hervorragender Übereinstimmung mit TEM und PL Ergebnisse und enthüllt die Zuverlässigkeit unseres Modells.
Introduction
Halbleiter-Nanokristalle Aufmerksamkeit wie ihre elektronischen und optischen Eigenschaften können durch einfaches Ändern ihrer Größe im Bereich gegenüber ihren jeweiligen Exziton-Bohr Radien abgestimmt werden. 1 Diese einzigartigen größenabhängigen Eigenschaften machen für verschiedene technische Anwendungen diese Nanokristalle relevant. B. Trägervervielfachungseffekte beobachtet, wenn ein Hochenergiephotonen durch die Nanokristalle aus CdSe, Si und Ge absorbiert wird, kann das Konzept der Frequenzumwandlung in der Solarzelle verwendet werden; 2-4 oder die Abhängigkeit der optischen Emission aus PbS-Nanokristallen und Si-Nanokristalle können im Licht verwendet werden emittierende Diode (LED) Anwendungen. 5,6 eine genaue Kenntnis und Kontrolle auf der Nanokristallgrößenverteilung wird daher eine entscheidende Rolle auf die Zuverlässigkeit und die Leistung dieser technischen Anwendungen auf der Basis auf Nanokristalle.
Die üblicherweise verwendeten Techniken für die Größe distribution und Morphologie-Analyse von Nanokristallen als Röntgenbeugung (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Photolumineszenz (PL) und Raman-Spektroskopie aufgelistet. XRD ist eine Technik, die kristallographische morphologische Informationen des analysierten Materials zeigt. Von der Verbreiterung der Beugungsspitze ist Schätzung der Nanokristallgröße möglich, 7 jedoch um eine klare Daten ist in der Regel zeitaufwendig. Darüber hinaus kann XRD nur ermöglichen die Berechnung des Durchschnitts der Nanokristallgrößenverteilung aufweisen. In der Existenz von multimodalen Größenverteilungen können Größenanalyse mit XRD irreführend sein und führen zu Fehlinterpretationen. TEM ist eine leistungsfähige Technik, die Abbildung von der Nanokristalle ermöglicht. 8 Obwohl TEM ist in der Lage, das Vorhandensein von einzelnen Verteilungen in einer multimodalen Größenverteilung zeigen ist die Probenvorbereitung Ausgabe stets bemüht, vor den Messungen ausgegeben werden. Darüber hinaus arbeitet an dicht gepackten NanoKristall Ensembles mit unterschiedlichen Größen ist, wegen der Schwierigkeit der einzelnen Nanokristall Abbildungs herausfordernde. Photolumineszenz (PL) ist ein optisches Analyseverfahren und optisch aktiven Nanokristalle können diagnostiziert werden. Nanokristallgrößenverteilung wird aus der größenabhängigen Emissions Aufgrund ihrer schlechten optischen Eigenschaften der indirekten Bandlücke Nanopartikel, große Nanokristalle, die nicht Gegenstand Effekte Entbindung sind und defektreichen kleine Nanokristalle erhalten. 9 nicht von PL und der beobachteten Größe erfasst werden Verbreitung nur um Nanokristalle mit guten optischen Eigenschaften beschränkt. Obwohl jede dieser oben erwähnten Techniken hat ihre eigenen Vorteile, von denen keine die Fähigkeit haben, den Erwartungen (das heißt, die schnell, zerstörungsfreie und zuverlässige) ab und idealisiert Größenanalyse-Technik.
Ein weiteres Mittel zur Größenverteilung Analyse der Nanokristalle ist die Raman-Spektroskopie. Die Raman-Spektroskopie ist weithin verfügbarin den meisten Labors, und es ist eine schnelle und zerstörungsfreie Technik. Zusätzlich in den meisten Fällen Probenvorbereitung entfällt. Raman-Spektroskopie ist eine Schwingungstechnik, die verwendet werden können, um Informationen über die verschiedenen Morphologien (kristallin oder amorph) zu erhalten, und die größenbezogene Informationen (von der größenabhängigen Verschiebung Phononenmoden, die in dem Frequenzspektrum erscheinen) des untersuchten Materials . 10. Die Besonderheit besteht darin, dass die Raman-Spektroskopie, während größenabhängigen Veränderungen werden als Verschiebung im Frequenzspektrum, der Form des Phonon Peak (Verbreiterung Asymmetrie) beobachtet liefert Informationen über die Form der Nanokristallgrößenverteilung aufweisen. Daher ist es prinzipiell möglich, die notwendige Information, dh, die Durchschnittsgröße und der Formfaktor von Raman-Spektrum, um die Größenverteilung der Nanokristalle zu erhalten, analysiert extrahieren. Im Fall von multimodalen Größenverteilungen Unterverteilungen können auch separat über deconvolu identifiziert werdention des experimentellen Raman-Spektrum.
In der Literatur sind zwei Theorien gemeinhin um die Wirkung von Nanokristallgrößenverteilung auf die Form der Raman-Spektrum zu modellieren. Die Anleihe Polarisierbarkeit Modell (BPM) 11 beschreibt die Polarisierbarkeit eines Nanokristalls aus den Beiträgen aller Bindungen innerhalb dieser Größe. Die Ein-Teilchen-Phonon-Confinement-Modell (PCM) 10 verwendet größenabhängige physikalische Größen, dh Kristallimpuls, Phononenfrequenz und Dispersion, und der Grad der Entbindung, um das Raman-Spektrum eines Nanokristall mit einer bestimmten Größe zu definieren. Da diese physikalischen Variablen sind abhängig von der Größe, kann eine analytische Darstellung des PCM, die explizit als eine Funktion der Größe des Nanokristalls formulized werden können definiert werden. Projizieren dieses Ausdrucks auf einem generischen Größenverteilungsfunktion kann daher die Wirkung der Größenverteilung innerhalb der PCM, der verwendet werden kann, um die nanocr bestimmen Rechenschaft abzulegenystal Größenverteilung aus der experimentellen Raman-Spektrum. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Erste Diskussionspunkt ist die kritischen Schritte im Protokoll. Um nicht überlappenden Signale mit dem Material von Interesse haben, ist es wichtig, eine andere Art von Substratmaterial wie in Schritt 1.2 angegebenen verwenden. Zum Beispiel, wenn Si-Nanokristalle sind von Interesse, nicht mit Silizium-Substrat für die Raman-Messungen. In 1 ist eine beispielsweise Si-Nanokristalle wurden auf Plexiglas Substrate, die völlig flach Signal etwa um den Bereich von Interesse hat, das heißt, von 4…
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. |
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