Caracterización de Nanocristal distribución por tamaño utilizando espectroscopia Raman con un multi-partícula Phonon Confinamiento Modelo
Summary
Demostramos cómo determinar la distribución del tamaño de los nanocristales semiconductores de manera cuantitativa mediante espectroscopia Raman que emplea un modelo de confinamiento de fonones de múltiples partículas analíticamente definido. Los resultados obtenidos están en excelente acuerdo con las otras técnicas de análisis de tamaño como microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia de fotoluminiscencia.
Abstract
Análisis de la distribución del tamaño de los nanocristales es un requisito crítico para el procesamiento y la optimización de sus propiedades dependientes del tamaño. Las técnicas comunes que se utilizan para el análisis del tamaño son microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD) y espectroscopia de fotoluminiscencia (PL). Estas técnicas, sin embargo, no son adecuados para el análisis de la distribución del tamaño de los nanocristales de una forma rápida, no destructiva y de manera fiable al mismo tiempo. Nuestro objetivo en este trabajo es demostrar que la distribución del tamaño de los nanocristales semiconductores que están sujetos a los efectos de confinamiento de fonones dependientes del tamaño, se puede estimar cuantitativamente de manera no destructiva, rápida y confiable utilizando espectroscopia Raman. Por otra parte, la distribución de distintos tamaños se pueden separado probaron, y sus respectivas relaciones volumétricas pueden estimarse utilizando esta técnica. Con el fin de analizar la distribución de tamaño, hemos formulized una expresión analítica de PCM de una sola partícula y projected que en una función de distribución genérica que representará a la distribución del tamaño de nanocristales analizada. Como modelo de experimento, hemos analizado la distribución del tamaño de los nanocristales de silicio exentas (Si-CN) con distribuciones de tamaño multimodales. Las distribuciones de talla estimadas están en excelente acuerdo con TEM y PL resultados, revelando la fiabilidad de nuestro modelo.
Introduction
Nanocristales semiconductores llaman la atención como sus propiedades electrónicas y ópticas se pueden sintonizar, simplemente cambiando su tamaño en el rango en comparación con sus respectivos radios excitón-Bohr. 1 Estas características dependientes del tamaño únicas hacen estos nanocristales relevante para diversas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, los efectos de multiplicación portador, observaron cuando un fotón de alta energía es absorbida por los nanocristales de CdSe, Si, y Ge, puede ser utilizado en el concepto de conversión espectro en aplicaciones de células solares; 2 – emisión óptica 4 o dependiente del tamaño de PBS-CN y Si-CN se pueden utilizar en la emisión de luz de diodo aplicaciones (LED). 5,6 El conocimiento y un control preciso de la distribución del tamaño de nanocristales, por tanto, tendrá un papel determinante en la fiabilidad y el rendimiento de estas aplicaciones tecnológicas basadas en nanocristales.
Las técnicas de uso común para el tamaño dISTRIBUCIÓN y morfología análisis de nanocristales puede ser catalogado como difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopia de fotoluminiscencia (PL), y espectroscopia Raman. XRD es una técnica cristalográfica que revela información morfológica del material analizado. Desde la ampliación del pico de difracción, estimación del tamaño nanocristales es posible, 7 Sin embargo, la obtención de una información clara es generalmente lento. Por otra parte, XRD sólo puede permitir el cálculo de la media de la distribución del tamaño de nanocristales. En la existencia de distribuciones de tamaño multimodales, análisis de tamaño con DRX puede ser engañosa y dar lugar a interpretaciones erróneas. TEM es una poderosa técnica que permite obtener imágenes de los nanocristales. 8 Aunque TEM es capaz de revelar la presencia de distribuciones individuales en una distribución de tamaño multimodal, tema de preparación de muestras es siempre un esfuerzo para ser gastado antes de las mediciones. Además, trabaja en nano densamente pobladoconjuntos de cristal de diferentes tamaños es un reto debido a la dificultad de las imágenes nanocristales individual. Espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) es una técnica de análisis óptico, y nanocristales ópticamente activos puede ser diagnosticada. Distribución de tamaño de Nanocristal se obtiene de la dependiente del tamaño de emisiones. 9 Debido a sus propiedades ópticas pobres de las nanopartículas indirectos Gap Band, grandes nanocristales que no están sujetos al confinamiento efectos, y el defecto rica en pequeñas nanocristales no puede ser detectado por PL y el tamaño observada la distribución se limita solamente a los nanocristales con buenas propiedades ópticas. Aunque cada una de estas técnicas antes mencionadas tiene sus propias ventajas, ninguno de ellos tiene la capacidad de satisfacer las expectativas (es decir, ser rápido, no destructivo, y confiable) técnica de análisis de tamaño de e idealizada.
Otro medio de análisis de distribución de tamaño de los nanocristales es la espectroscopia Raman. Espectroscopia Raman es ampliamente disponiblesen la mayoría de los laboratorios, y es una técnica rápida y no destructiva. Además, en la mayoría de los casos, no se requiere preparación de la muestra. Espectroscopia Raman es una técnica de vibración, que se puede utilizar para obtener información sobre los diferentes morfologías (cristalina o amorfa), y la información relacionada con el tamaño (a partir del desplazamiento dependiente del tamaño en los modos fonón que aparecen en el espectro de frecuencia) del material analizado . 10 La característica única de la espectroscopia Raman es que, mientras que los cambios dependientes del tamaño se observan como un cambio en el espectro de frecuencia, la forma del pico de fonones (ampliación, la asimetría) da información sobre la forma de la distribución del tamaño de los nanocristales. Por lo tanto, en principio es posible extraer la información necesaria, es decir, el tamaño medio y el factor de forma, a partir de espectro Raman para obtener la distribución del tamaño de los nanocristales analizados. En el caso de distribuciones de tamaño multimodales sub-distribuciones también se pueden identificar por separado a través deconvolución del espectro experimental Raman.
En la literatura, dos teorías se denominan comúnmente para modelar el efecto de la distribución del tamaño de los nanocristales en la forma del espectro de Raman. El modelo polarizabilidad de bonos (BPM) 11 describe la polarizabilidad de un nanocristales de las contribuciones de todos los bonos dentro de ese tamaño. El modelo de confinamiento de fonones de una sola partícula (PCM) 10 utiliza variables físicas dependientes del tamaño, es decir, el impulso de cristal, la frecuencia y la dispersión de fonones, y el grado de confinamiento, para definir el espectro Raman de un nanocristal con un tamaño específico. Dado que estas variables físicas dependen del tamaño, una representación analítica de la PCM que se pueden formulized explícitamente como una función del tamaño nanocristal puede ser definido. Proyección de esta expresión en una función de distribución de tamaño genérica será por lo tanto capaz de tener en cuenta el efecto de la distribución de tamaño dentro de la PCM, que se puede utilizar para determinar la nanocrdistribución de tamaño ystal del espectro experimental Raman. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Punto de discusión El primero es los pasos críticos en el protocolo. A fin de no tener picos superpuestos con el material de interés, es importante utilizar otro tipo de material de sustrato como se ha mencionado en el paso 1.2. Por ejemplo, si Si-CN son de interés, no utilice sustrato de silicio para las mediciones Raman. En la Figura 1 a, por ejemplo, Si-CN se sintetizaron sobre sustratos de plexiglás, que tiene señal completamente plana más o menos alrededor del rango de i…
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
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