Caracterização de nanocristal Tamanho Distribution utilizando Espectroscopia Raman com um Multi-partícula Phonon Confinamento Modelo
Summary
Demonstramos como para determinar a distribuição do tamanho de nanocristais semicondutores de modo quantitativo utilizando espectroscopia de Raman utilizando um modelo de fonão confinamento multi-partícula definida analiticamente. Os resultados obtidos estão em excelente acordo com as outras técnicas de análise de tamanho como microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de fotoluminescência.
Abstract
A análise da distribuição de tamanho de nanocristais é um requisito essencial para o processamento e optimização das suas propriedades dependentes de tamanho. As técnicas comuns utilizadas para a análise do tamanho são microscopia electrónica de transmissão (TEM), difracção de raios-X (DRX) e espectroscopia de fotoluminescência (PL). Estas técnicas, no entanto, não são adequados para análise da distribuição de tamanho de nanocristais de uma forma rápida e não destrutiva de forma fiável e, ao mesmo tempo. O nosso objectivo neste trabalho é demonstrar que a distribuição do tamanho de nanocristais de semicondutores, que são sujeitas a efeitos de fonão confinamento dependente do tamanho, pode ser quantitativamente avaliado de um modo não destrutivo, rápida e fiável utilizando espectroscopia de Raman. Além disso, as distribuições de tamanhos diferentes podem ser sondados separadamente, e as suas respectivas proporções volumétricas pode ser estimada usando esta técnica. A fim de analisar a distribuição de tamanho, que têm uma expressão analítica formulized PCM de uma partícula e p-rojected-lo para uma função de distribuição genérica que representa a distribuição de tamanhos de nanocristais analisados. Como um modelo experimental, foi analisada a distribuição de tamanho de nanocristais de silício free-standing (Si-CN), com distribuições de tamanho de multi-modais. As distribuições de tamanho estão em excelente concordância com os resultados de MET e PL, revelando a confiabilidade do nosso modelo.
Introduction
Nanocristais semicondutores chamar a atenção como as suas propriedades ópticas e electrónicos podem ser ajustados simplesmente mudando o seu tamanho na gama em comparação com os respectivos raios éxciton-Bohr. 1 Estas características dependentes de tamanho originais fazem estes nanocristais relevante para várias aplicações tecnológicas. Por exemplo, os efeitos de multiplicação do portador, observada quando um fotão de alta energia é absorvida pelos nanocristais de CdSe, Si e Ge, pode ser utilizado no conceito de conversão de espectro em aplicações em células solares; 2 – emissão óptica 4 ou tamanho dependente de PBS-CNs e Si-NCS pode ser usado em aplicações emissor de luz (LED). Um 5,6 conhecimento preciso e controlo sobre a distribuição de tamanho de nanocristais, por conseguinte, vai desempenhar um papel determinante na fiabilidade e o desempenho destas aplicações tecnológicas baseadas em nanocristais.
As técnicas comumente utilizados para o tamanho dISTRIBUIÇÃO morfologia e análise de nanocristais pode ser listado como difracção de raios-X (DRX), microscopia electrónica de transmissão (TEM), espectroscopia de fotoluminescência (PL), e espectroscopia Raman. XRD é uma técnica que revela informação cristalográfica morfológica do material analisado. Desde o alargamento do pico de difração, estimativa do tamanho dos nanocristais é possível, 7 no entanto, a obtenção de uma clara dados geralmente é demorado. Além disso, DRX só pode permitir o cálculo da média da distribuição de tamanho dos nanocristais. Na existência de distribuições de tamanho multi-modais, análise de tamanho com DRX podem ser enganosas e resultar em interpretações erradas. TEM é uma técnica poderosa que permite a imagiologia dos nanocristais. 8 Embora TEM é capaz de revelar a presença de distribuições individuais de uma distribuição de tamanho multimodal, a preparação da amostra questão é sempre um esforço para ser gasto antes das medições. Além disso, trabalhar em nano densamenteensembles de cristal com tamanhos diferentes é um desafio por causa da dificuldade de nanocristais de imagem individual. Espectroscopia de fotoluminescência (PL) é uma técnica de análise óptica, e nanocristais opticamente activas pode ser diagnosticada. Distribuição de tamanho de nanocristais é obtido a partir da emissão dependente do tamanho. 9 Devido às suas propriedades ópticas pobres das nanopartículas indirectos Gap Band, grandes nanocristais que não estão sujeitas ao confinamento efeitos, e rica em pequeno defeito nanocristais não pode ser detectado por PL e o tamanho observado distribuição só é limitado a nanocristais com boas propriedades ópticas. Embora cada uma destas técnicas acima mencionadas tem as suas próprias vantagens, nenhum deles tem a capacidade de satisfazer as expectativas (isto é, ser rápida e não destrutiva, e de confiança) e idealizada de técnica de análise de tamanho.
Outro meio de análise da distribuição de tamanho de nanocristais é espectroscopia Raman. Espectroscopia de Raman é amplamente disponíveisna maior parte dos laboratórios, e é uma técnica rápida e não destrutiva. Além disso, na maioria dos casos, a preparação da amostra não é necessária. A espectroscopia de Raman é uma técnica de vibração, a qual pode ser utilizada para obter informação em diferentes morfologias (cristalina ou amorfa), e informação relacionada com o tamanho (a partir do deslocamento dependente do tamanho nos modos fonão que aparecem no espectro de frequência) do material analisado . 10 A característica única da espectroscopia Raman é que, enquanto as alterações dependentes do tamanho são observados como uma mudança no espectro de frequência, a forma do pico de fonão (ampliação, assimetria) dá informações sobre a forma da distribuição de tamanho dos nanocristais. Por isso, é possível, em princípio, para extrair as informações necessárias, isto é, o tamanho médio e o factor de forma, a partir do espectro de Raman para obter a distribuição de tamanho de nanocristais analisados. No caso de distribuições de tamanho de multi-modais sub-distribuições também podem ser identificados separadamente por via deconvolução do espectro de Raman experimental.
Na literatura, duas teorias são comumente referidos modelar o efeito da distribuição de tamanho dos nanocristais na forma do espectro de Raman. O modelo de vínculo polarizability (BPM) 11 descreve a polarizabilidade de uma nanocristais partir das contribuições de todos os laços dentro desse tamanho. O modelo de confinamento de fônons de uma partícula (PCM) 10 usa variáveis físicas dependentes de tamanho, ou seja, o momento de cristal, freqüência phonon e dispersão, e o grau de confinamento, para definir o espectro de Raman de um nanocristais com um tamanho específico. Uma vez que estas variáveis físicas dependem do tamanho, uma representação analítica do PCM que pode ser explicitamente formulized como uma função do tamanho dos nanocristais pode ser definido. Projectar esta expressão em uma função de distribuição de tamanho genérico será, portanto, capaz de explicar o efeito da distribuição de tamanho dentro do PCM, o que pode ser usado para determinar a nanocrdistribuição de tamanho de ystal a partir do espectro de Raman experimental. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Primeiro ponto de discussão é as etapas críticas no âmbito do protocolo. A fim de não ter picos sobrepostos com o material de interesse, é importante o uso de outro tipo de material de substrato tal como mencionado no passo 1.2. Por exemplo, se Si-CNs são de interesse, não use substrato de silício para as medições Raman. Na Figura 1 a, por exemplo, Si-NCS foram sintetizados em substratos de acrílico, que tem cerca de sinal totalmente plana em torno da gama de interesse,<…
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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