Multi-parçacık Phonon Confinement Modeli ile Raman Spektroskopisi kullanarak nano-kristal Boyut Dağılımı Karakterizasyonu
Summary
Biz analitik tanımlanan çoklu parçacık fonon hapsi modeli kullanılarak Raman spektroskopisi kullanılarak nicel bir şekilde yarı iletken nanokristallerin büyüklüğü dağılımını belirlemek için nasıl gösterilmektedir. Elde edilen sonuçlar transmisyon elektron mikroskobu ve fotoluminesans spektroskopisi gibi diğer boyut analiz teknikleri ile mükemmel bir uyum içindedir.
Abstract
Nanokristallerin boyut dağılımının analizi onların boyut özelliklerine işlenmesi ve optimizasyonu için kritik bir gereksinimdir. Büyüklüğü analizi için yaygın bir şekilde kullanılan teknikler, transmisyon elektron mikroskopisi (TEM) ve X-ışını difraksiyonu (XRD) ve fotoluminesans Spektroskopisi (PL) vardır. Ancak bu tekniklerin, aynı zamanda, hızlı, tahribatsız olarak nano-kristal boyutu dağılımına ve güvenilir bir şekilde analiz etmek için uygun değildir. Bu çalışmada amacımız, boyut bağımlı fonon hapsi etkileri tabi yarıiletken nanokristallerin o büyüklük dağılımını göstermek için kantitatif Raman spektroskopisi kullanılarak, tahribatsız, hızlı ve güvenilir bir şekilde tahmin edilebilir. Ayrıca, karışık boyutu dağılımları ayrı ayrı problanabilir ve kendi hacimsel oranları bu tekniği kullanılarak tahmin edilebilir. Büyüklük dağılımını analiz edebilmek için, biz bir parçacık PCM ve p analitik ifadesi formüle sahipanaliz nanokristal boyutu dağılımını temsil edecek bir genel dağılım işlevi üzerine rojected. Bir örnek deney olarak, çok modlu boyut dağılımları ile serbest duran silikon nanokristallerinin (Si-NC'ler) boyut dağılımının analiz ettik. Tahmini boyutu dağılımları modelimizin güvenilirliğini ortaya, TEM ve PL sonuçları ile mükemmel bir uyum içindedir.
Introduction
Elektronik ve optik özellikleri sadece kendi exciton-Bohr yarıçapına göre aralıkta onların boyutunu değiştirerek ayarlanmış olabilir olarak Yarıiletken nanokristaller dikkat çekmek. 1. Bu eşsiz boyut bağımlı özellikler çeşitli teknolojik uygulamalar için bu nanokristaller ilgili olun. Örneğin, kurye çarpma etkisi, yüksek enerjili foton CdSe, Si, ve Ge nano kristalleri kullanılarak emildiğinde, solar hücre uygulamalarında spektrumu dönüşüm kavramı kullanılabilir gözlenen 2 – 4 ve boyutuna bağlı optik emisyon PBS-NC'ler Si-NC'ler diyot (LED) uygulamalar, ışık yayan kullanılabilir. 5,6 nano-kristal boyut dağılımına kesin bir bilgiye ve kontrol dolayısıyla güvenilirliği üzerinde belirleyici bir rol bazlı bu teknolojik uygulamaların performansını oynayacak nanokristalleri üzerinde.
Boyutu d yaygın olarak kullanılan tekniklernanokristallerin istribution ve morfolojisi analizi X-ışını kırınımı (XRD), transmisyon elektron mikroskobu (TEM), fotolüminesans spektroskopisi (PL) ve Raman spektroskopisi olarak sıralanabilir. XRD analiz malzemenin morfolojik bilgi ortaya bir kristalografik tekniktir. Kırılma zirve genişletilmesi itibaren, nanokristal büyüklüğü tahmini 7 Ancak, net bir veri elde genellikle zaman alıcı mümkündür. Üstelik XRD sadece nanokristal boyutu dağılımının ortalama hesaplama etkinleştirebilirsiniz. Multi-modal büyüklük dağılımlarının varlığı, XRD ile boyut analizi yanıltıcı olabilir ve yanlış yorumlarla sonuçlanır. TEM bir multi-modal boyut dağılımına bireysel dağılımlarının varlığını ortaya yapabiliyor olsa da TEM nanokristallerin görüntüleme sağlayan güçlü bir tekniktir. 8, numune hazırlama sorunu ölçümlerden önce harcanacak bir çaba her zaman. Buna ek olarak, yoğun dolu nano üzerinde çalışıyorfarklı boyutları ile kristal toplulukları nedeniyle bireysel nanokristal görüntüleme zorluk meydan okuyor. Fotolüminesans Spektroskopisi (PL), bir optik analiz tekniğidir ve optik olarak aktif nanokristaller teşhis edilebilir. Nano-kristal boyutu dağılımı boyutu bağımlı emisyon elde edilir. 9 nedeniyle dolaylı bant aralığı nanopartiküller, efektler lohusalık tabi olmayan geniş nanokristaller ve kusur zengin küçük nanokristallerin onların zayıf optik özellikleri PL ve gözlenen boyutuna göre tespit edilemez dağılımı sadece iyi optik özelliklere sahip nanokristaller sınırlıdır. Bu, yukarıda belirtilen tekniklerin her biri kendi avantajları olmasına rağmen, bunların hiçbiri gelen ve idealize boyut analizi tekniği (non-yıkıcı ve güvenilir, hızlı, olmak olan) beklentilerinin karşılanması yeteneğine sahip.
Nanokristallerin boyut dağılımı analizi başka bir araç Raman spektroskopisi olduğunu. Raman spektroskopisi yaygın olarak kullanılabiliriçinde laboratuarlarında çoğu, ve hızlı ve tahribatsız tekniktir. Buna ek olarak, pek çok durumda, örnek hazırlanması gerekli değildir. Raman spektroskopisi analiz malzemenin farklı morfolojilerin (kristal ya da amorf) hakkında bilgi elde etmek için kullanılabilir titreşim tekniği, ve (frekans spektrumunda görünen fonon modları boyutuna bağlı kaymasından) boyutu ile ilgili bilgi, . 10 Raman spektroskopisi benzersiz özelliği büyüklüğü bağımlı değişiklikler frekans spektrumunda bir değişiklik, fonon tepe şekli (genişletmektedir, asimetri) olarak görülürken nanokristal boyutu dağılımının şekli hakkında bilgi verir olmasıdır. Bu nedenle, analiz nanokristallerin büyüklük dağılımını elde etmek için, Raman spektrumundan gerekli bilgileri, örneğin, ortalama boyutu ve şekil faktörü çıkarmak için prensip olarak mümkündür. Multi-modal boyutlu dağılımlar durumunda, alt-dağılımı da ayrı deconvolu ile tespit edilebilirDeneysel Raman spektrumunun tion.
Literatürde, iki teori yaygın Raman spektrumunun şekline nano-kristal boyutu dağılımının etkili model adlandırılır. Tahvil polarizebilite modeli (BPM) 11 o boyutta içindeki tüm bağların katkılarından bir nanokristal polarlanabilirliginin açıklar. Tek parçacık fonon hapsi modeli (PCM) 10, belirli bir boyutu olan bir nanokristal Raman spektrumunu tanımlamak için boyut bağımlı fiziksel değişkenler, yani kristal ivme, fonon frekans ve dağılımını ve lohusalık derecesi kullanır. Bu fiziksel değişkenler boyutuna bağlıdır için, açık bir şekilde nano-kristal boyutunun bir fonksiyonu olarak formüle edilebilir PCM analitik bir temsili tanımlanabilir. Genel bir boyut dağılım fonksiyonunun bu ifade Yansıtma nedenle nanocr belirlemek için kullanılabilir PCM olan boyut dağılımının etkisi hesaba edebilecektirDeneysel Raman spektrumu ystal boyut dağılımı. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
İlk tartışma noktası protokolü dahilinde kritik adımlar olduğunu. Ilgi malzeme ile üst üste gelen zirveleri için amacıyla, aşama 1.2'de belirtildiği gibi alt-tabaka malzemenin bir başka türü kullanılması önemlidir. Si-NC'ler ilgi Örneğin, Raman ölçümleri için silikon substratı kullanmayın. Şekil 1 de, örneğin, Si-NC'ler yaklaşık ilgi konusu aralığı yaklaşık tamamen düz bir sinyal alır pleksiglas alt tabakalar, örneğin,, 480-530 cm üzerinde s…
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).
