Caratterizzazione di nanocristalli Dimensione distribuzione utilizzando Spettroscopia Raman con un Multi-particella Phonon confinamento Modello

Summary

Dimostriamo come determinare la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli semiconduttori in modo quantitativo utilizzando la spettroscopia Raman impiegando un multi-particella modello fononi confinamento analiticamente definiti. I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con le altre tecniche di analisi dimensione come microscopia elettronica a trasmissione e la spettroscopia di fotoluminescenza.

Abstract

L'analisi della distribuzione delle dimensioni nanocristalli è un requisito fondamentale per l'elaborazione e l'ottimizzazione delle loro proprietà dipendenti dalle dimensioni. Le tecniche comuni utilizzati per l'analisi dimensioni sono microscopia elettronica a trasmissione (TEM), diffrazione di raggi X (XRD) e la spettroscopia di fotoluminescenza (PL). Queste tecniche, tuttavia, non sono adatti per analizzare la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli in un facile, non distruttivo e maniera affidabile allo stesso tempo. Lo scopo del nostro lavoro è quello di dimostrare che la distribuzione delle dimensioni nanocristalli semiconduttori che sono soggetti a effetti fonone confinamento dipendenti dalle dimensioni, può essere stimato quantitativamente in modo non distruttivo, veloce ed affidabile utilizzando la spettroscopia Raman. Inoltre, le distribuzioni di formato misto possono essere sondato separatamente, ei loro rispettivi rapporti volumetrici possono essere stimate utilizzando questa tecnica. Per analizzare la distribuzione delle dimensioni, abbiamo formulized un'espressione analitica di PCM una particella e projected esso su una funzione di distribuzione generico che rappresenterà la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli analizzato. Come esperimento modello, abbiamo analizzato la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli di silicio free-standing (Si-NC) con distribuzioni di dimensione multimodali. Le distribuzioni di dimensione stimati sono in eccellente accordo con TEM e PL risultati, rivelando l'affidabilità del nostro modello.

Introduction

Nanocristalli semiconduttori attirano l'attenzione come le loro proprietà elettroniche e ottiche possono essere sintonizzati semplicemente cambiando le loro dimensioni nella gamma rispetto al loro rispettivi raggi eccitone-Bohr. ¹ Queste caratteristiche uniche dipendenti dalle dimensioni rendono questi nanocristalli rilevanti per varie applicazioni tecnologiche. Ad esempio, effetti carrier moltiplicazione, osservate quando un'alta fotoni di energia viene assorbita dai nanocristalli di CdSe, Si e Ge, può essere utilizzato nel concetto di conversione dello spettro in applicazioni di celle solari; ^{2 –} emissione ottica ^{4 o} dimensione-dipendente dal PbS-NC e Si-NC possono essere utilizzati in applicazioni diodo luminoso (LED). ^5,6 A conoscenza precisa e controllo sulla distribuzione della dimensione dei nanocristalli sarà quindi un ruolo determinante sull'affidabilità e le prestazioni di queste applicazioni tecnologiche basate su nanocristalli.

Le tecniche comunemente utilizzate per la dimensione dISTRIBUZIONE e morfologia analisi dei nanocristalli può essere elencato come diffrazione di raggi X (XRD), microscopia elettronica a trasmissione (TEM), spettroscopia di fotoluminescenza (PL), e spettroscopia Raman. XRD è una tecnica cristallografica che rivela informazioni morfologica del materiale analizzato. Dalla allargamento del picco di diffrazione, stima della dimensione nanocristalli è possibile, ⁷ tuttavia ottenere un dato chiaro è solitamente richiede tempo. Inoltre, XRD può abilitare solo il calcolo della media della distribuzione delle dimensioni nanocristalli. Nell'esistenza di distribuzioni di dimensione multimodali, l'analisi della dimensione con XRD può essere fuorviante e portare a interpretazioni errate. TEM è una tecnica potente che permette l'imaging dei nanocristalli. ⁸ Sebbene TEM è in grado di rivelare la presenza di singole distribuzioni in una distribuzione di dimensione multimodale, problema preparazione del campione è sempre uno sforzo per essere speso prima delle misure. Inoltre, lavorando su nano densamenteinsiemi di cristallo con dimensioni diverse impugna causa della difficoltà di immagini nanocristalli individuale. Spettroscopia di fotoluminescenza (PL) è una tecnica di analisi ottica, e nanocristalli otticamente attivi può essere diagnosticata. Distribuzione dimensionale nanocristallo è ottenuto dall'emissione size-dipendente. ⁹ causa della loro scarsa proprietà ottiche delle nanoparticelle indiretti Gap Band, grandi nanocristalli non soggetti al confinamento effetti e ricchi di difetti piccoli nanocristalli non può essere rilevato da PL e la dimensione osservata distribuzione è limitata solo a nanocristalli con buone proprietà ottiche. Sebbene ciascuna di queste tecniche sopra menzionate ha i suoi vantaggi, nessuno di essi hanno la capacità di soddisfare le aspettative (cioè, essere veloce, non distruttivo, affidabile e) da e idealizzato tecnica di analisi dimensioni.

Un altro strumento di analisi distribuzione delle dimensioni di nanocristalli è spettroscopia Raman. Spettroscopia Raman è ampiamente disponibilenella maggior parte dei laboratori, ed è una tecnica veloce e non distruttivo. Inoltre, nella maggior parte dei casi, la preparazione del campione non è richiesta. Spettroscopia Raman è una tecnica vibrazionale, che può essere utilizzato per ottenere informazioni su differenti morfologie (cristallini o amorfi), e dati relativi alle dimensioni (dal passaggio size-dipendente sulle modalità fononi che compaiono nello spettro di frequenza) del materiale analizzato . ¹⁰ La caratteristica unica della spettroscopia Raman è che, mentre le variazioni dipendenti dalle dimensioni vengono osservati come spostamento nello spettro di frequenza, la forma del picco fonone (ampliare, asimmetria) fornisce informazioni sulla forma della distribuzione dimensionale nanocristalli. Pertanto è in linea di principio possibile estrarre le informazioni necessarie, cioè, la dimensione media e il fattore di forma, dallo spettro Raman di ottenere la distribuzione delle dimensioni dei nanocristalli analizzati. Nel caso di distribuzioni di dimensione multimodali sotto-distribuzioni possono essere identificati separatamente tramite deconvoluzione dello spettro Raman sperimentale.

Nella letteratura, due teorie sono comunemente noti per modellare l'effetto della distribuzione granulometrica nanocristalli sulla forma dello spettro Raman. Il modello legame polarizzabilità (BPM) ¹¹ descrive la polarizzabilità di un nanocristallo dai contributi di tutti i legami all'interno di quella dimensione. Il modello fonone confinamento una particella (PCM) ^{10 utilizza} variabili fisiche dipendenti dalle dimensioni, cioè, slancio cristallo, frequenza fonone e dispersione, e il grado di confinamento, per definire lo spettro Raman di un nanocristallo con una dimensione specifica. Poiché queste variabili fisiche dipendono dalla dimensione, una rappresentazione analitica del PCM che può essere esplicitamente formulized in funzione della dimensione dei nanocristalli può essere definito. Proiezione questa espressione in una funzione di distribuzione dimensioni generica sarà quindi in grado di spiegare l'effetto della distribuzione granulometrica nel PCM, che può essere utilizzato per determinare il nanocrdistribuzione dimensionale ystal dallo spettro Raman sperimentale. ¹²

Protocol

1. Pianificazione degli esperimenti Sintetizzare o ottenere i nanocristalli di interesse 13 (Figura 1a). Evitare qualsiasi confusione con il segnale di fondo facendo in modo che il materiale del substrato non ha picchi sovrapposti nello spettro Raman dei nanocristalli (Figura 1a). Accendere il laser del setup spettroscopia Raman. Attendere un tempo sufficiente (circa 15 min) per l'intensità del laser per stabilizzare. Misurare un …

Representative Results

Per usando la spettroscopia Raman come uno strumento di analisi dimensioni, un modello per estrarre le informazioni di dimensioni relative da uno spettro misurato Raman è necessario. La Figura 2 riassume la multi-particella modello fononi confinamento analitico. Funzione fononi confinamento 12 All-size-dipendente (Figura 2 c) è proiettato su una funzione di distribuzione formato generico (figura 2 b), che viene scelto come una funzione di distribuzione logn…

Discussion

Primo punto discussione è passaggi critici all'interno del protocollo. Per non avere picchi sovrapposti con il materiale di interesse, è importante utilizzare un altro tipo di materiale di substrato, come indicato al punto 1.2. Per esempio, se Si-NC sono di interesse, non utilizzare substrato di silicio per le misure Raman. In figura 1 a, per esempio, Si-NC sono stati sintetizzati su substrati plexiglass, che ha segnale completamente piatta all'incirca intorno nell'intervallo di interesse,…

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.