Характеристика нанокристаллов распределении размеров с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с нескольких частиц фононов конфайнмента модели
Summary
Мы показываем, как определить распределение по размерам полупроводниковых нанокристаллов в количественном выражении с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния, использующего аналитически определенный фононов удержания модель мульти-частиц. Результаты, полученные в отличном согласии с другими методами анализа размера, как просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции спектроскопии.
Abstract
Анализ распределения размера нанокристаллов является критическим требованием для обработки и оптимизации их размера зависит от свойств. Общие методы, используемые для анализа размера просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновской дифракции (XRD) и фотолюминесценции спектроскопии (PL). Эти методы, однако, не пригодны для анализа распределения по размерам в нанокристаллической быстро, неразрушающего и надежным образом в то же время. Наша цель в этой работе, чтобы продемонстрировать, что распределение по размерам полупроводниковых нанокристаллов, которые подлежат размера-зависимых эффектов фононного конфайнмента, могут быть количественно оценены в неразрушающего, быстрый и надежный способ с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Кроме того, распределение смешанного размера могут быть отдельно исследовали, и их соответствующие объемные соотношения могут быть оценены с помощью этой техники. Для того чтобы проанализировать распределение по размерам, мы formulized аналитическое выражение в PCM один частиц и рrojected его на родовой функции распределения, которая будет представлять распределение размера анализируемого нанокристалле. В модельном эксперименте, мы проанализировали распределение по размерам свободно стоящих нанокристаллов кремния (Si-НК) с распределениями мультимодальных размера. По оценкам распределения размера находятся в отличном согласии с ТЕА и PL результатов, выявление надежность нашей модели.
Introduction
Полупроводниковых нанокристаллов обратить внимание, как их электронные и оптические свойства могут быть настроены, просто изменяя их размер в диапазоне по сравнению с их соответствующей экситон-Бора радиусов. 1 Эти уникальные размер зависит от особенности делают эти нанокристаллы актуальны для различных технологических приложений. Например, эффекты умножения несущей, наблюдается при высокой энергии фотонов поглощается нанокристаллов CdSe, Si, и Ge, могут быть использованы в концепции преобразования спектра в системах солнечных батарей; 2 – 4 или размер зависящих оптическое излучение от PBS-НК и Si-НК может быть использован в светодиодах (LED) приложений. 5,6 точного знания и контроль над распределением по размерам нанокристаллов, следовательно, будет играть определяющую роль на надежность и производительность этих приложений на базе технологических на нанокристаллов.
Обычно используемые методы для Размер Distribution и морфология анализ нанокристаллов могут быть перечислены как рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), ФЛ-спектроскопии (PL), и спектроскопии комбинационного рассеяния света. РСА является кристаллографической метод, который показывает информацию морфологический анализируемого материала. Из уширения дифракционного пика, оценка размера нанокристаллов можно, 7 однако, получение четкого данные, как правило, отнимает много времени. Кроме того, РСА может обеспечить возможность расчета среднего распределения размера нанокристаллов только. В существовании распределений мультимодальных размера, анализ размера с РСА может ввести в заблуждение и привести к неправильным толкованиям. ТЕМ является мощная техника, которая позволяет визуализацию нанокристаллов. 8 Хотя ТЕМ способен выявить наличие отдельных распределений в мультимодальной распределения размера, вопрос подготовки образца всегда усилия будут потрачены перед измерениями. Кроме того, работая на плотно упакованную нанохрустальные ансамбли с различных размеров является сложной задачей из-за трудности индивидуального изображений нанокристаллов. ФЛ-спектроскопии (PL) является метод оптического анализа, и оптически активные нанокристаллы могут быть диагностированы. Распределение размера нанокристаллов получается из размера зависит от излучения. 9 Из-за их бедных оптических свойств непрямой запрещенной наночастиц группы, большие нанокристаллов, которые не подлежат аресту эффекты, и дефектных богатых малых нанокристаллов не могут быть обнаружены с помощью PL и наблюдаемого размера распределение ограничивается только нанокристаллов с хорошими оптическими свойствами. Хотя каждый из этих методов вышеназванных имеет свои преимущества, ни один из них не имеет возможности удовлетворения ожиданий (то есть, будучи быстро, неразрушающего и надежные) с идеализированным и методика анализа размера.
Другой средством распределения размера нанокристаллов анализа является спектроскопия комбинационного рассеяния. Спектроскопия комбинационного рассеяния широко доступныВ большинстве лабораторий, и это быстрый и неразрушающий метод. Кроме того, в большинстве случаев, подготовка образца не требуется. Спектроскопия комбинационного рассеяния является колебательной техники, которые могут быть использованы для получения информации о различной морфологии (кристаллических или аморфных), и размер информации, связанной с (с размерно-зависимой сдвига в фононных мод, которые появляются в частотном спектре) анализируемого материала . 10 Уникальность спектроскопии комбинационного рассеяния является то, что, в то время как размер зависит от изменения наблюдаются как сдвиг в спектре частот, форма пика фононов (уширения, асимметрии) дает информацию о форме распределения размера нанокристаллов. Поэтому, в принципе, можно извлечь необходимую информацию, то есть средний размер и коэффициент формы, от комбинационного спектра, чтобы получить распределение по размерам нанокристаллов проанализированы. В случае распределений мультимодальных размера суб-распределений могут быть также определены с помощью отдельно deconvoluния экспериментального спектра комбинационного рассеяния.
В литературе, две теории обычно называют модели эффект распределения размера нанокристаллов на форму спектра комбинационного рассеяния. Модель поляризуемость связи (BPM), 11 описывает поляризуемость нанокристалле из взносов всех связей внутри этого размера. Модель фононов заключение один частиц (PCM) 10 использует размер зависит от физических переменных, т.е. кристалл импульс, фононов частоты и дисперсию, и степень удержания, чтобы определить спектр КРС нанокристалле с определенного размера. Так как эти физические величины зависят от размера, аналитическое представление ИКМ, которые могут быть явно formulized как функцию размера нанокристаллов могут быть определены. Поэтому проектирование это выражение на общей функции распределения по размерам смогут учесть влияние гранулометрического в РСМ, которые могут быть использованы для определения nanocrystal распределение размера из экспериментального спектра комбинационного рассеяния. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Первая точка обсуждение критические шаги в протоколе. Чтобы не иметь перекрывающиеся пики с материалом интерес, важно использовать другой тип материала подложки, как указано в шаге 1.2. Например, если Si-НК представляют интерес, не используйте кремниевую подложку для комбинационного рас…
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).
