JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

نحن لشرح كيفية تحديد توزيع حجم البلورات النانوية شبه الموصلة بطريقة كمية باستخدام رامان الطيفي توظيف ومتعددة الجسيمات نموذج الطاقة الصوتية الحبس المعرفة التحليلية. النتائج التي تم الحصول عليها في اتفاق ممتازة مع غيرها من تقنيات التحليل حجم مثل المجهر الإلكتروني انتقال ومعان ضوئي الطيفي.

Abstract

تحليل توزيع حجم البلورات النانوية هو شرط حاسم لمعالجة والتحسين التي تعتمد على حجم ممتلكاتهم. التقنيات المستخدمة لتحليل حجم هي نقل الإلكترون المجهري (TEM)، حيود الأشعة السينية (XRD) والتحليل الطيفي معان ضوئي (PL). هذه التقنيات، ولكن ليست مناسبة لتحليل حجم التوزيع النانوية بطريقة سريعة وغير مدمرة وبطريقة موثوقة في نفس الوقت. هدفنا في هذا العمل هو لإثبات أن توزيع حجم البلورات النانوية شبه الموصلة التي تخضع لتعتمد على حجم آثار الطاقة الصوتية الحبس، يمكن تقدير الكمية بطريقة غير مدمرة، سريعة وموثوق بها باستخدام رامان الطيفي. وعلاوة على ذلك، توزيع حجم مختلطة يمكن بحثها على حدة، ويمكن تقدير النسب الحجمية كل منها باستخدام هذه التقنية. من أجل تحليل حجم التوزيع، قمنا formulized تعبير تحليلي للPCM-جسيم واحد وصrojected وضعها على وظيفة التوزيع العامة التي سوف تمثل توزيع حجم النانوية تحليلها. كتجربة نموذجية، قمنا بتحليل توزيع حجم البلورات النانوية السيليكون قائمة بذاتها (سي البلاغات) مع توزيع حجم متعددة الوسائط. حجم التوزيعات المقدرة في اتفاق ممتازة مع TEM وPL النتائج، وكشف عن موثوقية نموذجنا.

Introduction

البلورات النانوية شبه الموصلة لفت الانتباه كما خصائصها الإلكترونية والبصرية يمكن ضبطها ببساطة عن طريق تغيير حجمها في مجموعة مقارنة منها الأكسيتون-بور أنصاف أقطار الخاصة بهم. 1 هذه تعتمد على حجم ميزات فريدة من نوعها تجعل هذه البلورات النانوية ذات صلة التطبيقات التكنولوجية المختلفة. على سبيل المثال، والآثار الناقل الضرب، لاحظ عندما يتم امتصاص الفوتون طاقة عالية من البلورات النانوية من سيلينيد الكادميوم، سي، وشركة جنرال الكتريك، ويمكن استخدامها في مفهوم تحويل الطيف في تطبيقات الخلايا الشمسية؛ 2 - الانبعاث الضوئي 4 أو حجم المعتمد من برنامج تلفزيوني البلاغات وسي البلاغات يمكن أن تستخدم في ضوء الصمام الثنائي الباعث لل(LED) التطبيقات. 5،6 A معرفة دقيقة والسيطرة على توزيع حجم النانوية بالتالي ستلعب دورا حاسما في موثوقية وأداء هذه التطبيقات التكنولوجية القائمة على على البلورات النانوية.

التقنيات المستخدمة عادة لحجم ديمكن سرد istribution والتشكل تحليل بلورات كما حيود الأشعة السينية (XRD)، انتقال المجهر الإلكتروني (TEM)، معان ضوئي الطيفي (PL)، ورامان الطيفي. XRD هو أسلوب البلورات التي تكشف المعلومات المورفولوجية للمواد تحليلها. من توسيع ذروة الانحراف، وتقدير حجم النانوية هو ممكن، 7 ومع ذلك، والحصول على بيانات واضحة وعادة ما تستغرق وقتا طويلا. وعلاوة على ذلك، يمكن XRD تمكين فقط حساب متوسط ​​حجم التوزيع النانوية. في وجود حجم التوزيعات متعددة الوسائط، ويمكن تحليل الحجم مع XRD تكون مضللة وتؤدي إلى تفسيرات خاطئة. TEM هي تقنية قوية تمكن التصوير من البلورات النانوية. 8 وعلى الرغم من TEM غير قادرة على الكشف عن وجود توزيعات الفردية في توزيع حجم متعدد الوسائط، مخرج إعداد العينات هي دائما محاولة أن تنفق قبل القياسات. وبالإضافة إلى ذلك، والعمل على المكتظ نانوالفرق الكريستال مع أحجام مختلفة يمثل تحديا بسبب صعوبة التصوير النانوية الفردية. التحليل الطيفي معان ضوئي (PL) هي تقنية تحليل البصرية، والبلورات النانوية نشطة ضوئيا يمكن تشخيصها. يتم الحصول على توزيع حجم النانوية من الانبعاثات التي تعتمد على الحجم. 9 نظرا لخصائصها البصرية الفقيرة النانوية غير المباشرة الفرقة الفجوة، بلورات كبيرة التي لا تخضع للحبس الآثار، وعيب الغني بلورات صغيرة لا يمكن الكشف عنها بواسطة PL وحجم المرصود توزيع يقتصر فقط على البلورات النانوية مع الخصائص البصرية جيدة. على الرغم من كل هذه التقنيات المذكورة أعلاه مزاياه الخاصة، فإن أيا منها لديها القدرة على تلبية توقعات (وهذا هو، لكونها سريعة وغير مدمرة، ويمكن الاعتماد عليها) من والمثالية تقنية تحليل الحجم.

وسيلة أخرى لتحليل توزيع حجم البلورات النانوية هي رامان الطيفي. رامان الطيفي هو متاح على نطاق واسعفي معظم المختبرات، وأنها هي تقنية سريعة وغير مدمرة. بالإضافة إلى ذلك، في معظم الحالات، لا يتطلب إعداد العينات. رامان الطيفي هو تقنية الذبذبات، والتي يمكن استخدامها للحصول على معلومات عن الأشكال التضاريسية مختلفة (بلوري أو غير متبلور)، والمعلومات المتعلقة حجم (من التحول تعتمد على الحجم في أوضاع الطاقة الصوتية التي تظهر في الطيف الترددي) من المادة تحليلها 10 ميزة فريدة من رامان الطيفي هو أنه، بينما لوحظت تغييرات تعتمد على حجم تحولا في الطيف الترددي، وشكل ذروة الطاقة الصوتية (توسيع، والتباين) يعطي معلومات على شكل توزيع حجم النانوية. ولذلك فمن حيث المبدأ ممكن لاستخراج المعلومات اللازمة، أي حجم متوسط، وعامل الشكل، من رامان طيف للحصول على توزيع حجم البلورات النانوية تحليلها. في حالة توزيع حجم متعددة الوسائط كما يمكن تحديد التوزيع الفرعية بشكل منفصل عن طريق deconvoluنشوئها من الطيف رامان التجريبية.

في الأدب، ويشار إلى نظريتين عادة لنمذجة تأثير توزيع حجم النانوية على شكل طيف رامان. نموذج الاستقطاب السندات (BPM) 11 يصف الاستقطاب من النانوية من مساهمات جميع السندات ضمن هذا الحجم. نموذج الطاقة الصوتية الحبس الجسيمات واحد (PCM) 10 يستخدم المتغيرات الفيزيائية التي تعتمد على حجم، أي قوة الدفع وضوح الشمس، وتواتر الطاقة الصوتية والتشتت، ودرجة الحبس، لتحديد الطيف رامان من النانوية مع حجم معين. وبما أن هذه المتغيرات المادية تعتمد على حجم وتمثيل التحليلي للPCM التي يمكن formulized صراحة بوصفها وظيفة من حجم النانوية يمكن تعريف. ولذلك فإن إسقاط هذا التعبير على وظيفة توزيع حجم عامة تكون قادرة على حساب لتأثير توزيع حجم داخل PCM، والتي يمكن استخدامها لتحديد nanocrتوزيع حجم ystal من الطيف رامان التجريبية. 12

Protocol

1. التخطيط للتجارب

  1. توليف أو الحصول على البلورات النانوية من الفائدة 13 (الشكل 1A).
  2. تجنب أي خلط مع إشارة الخلفية عن طريق التأكد من أن المواد الركيزة ايوجد تداخل القمم في الطيف رامان من البلورات النانوية (الشكل 1A).
  3. بدوره على الليزر من الإعداد الطيفي رامان. انتظر ما يكفي من الوقت (حوالي 15 دقيقة) لشدة الليزر لتحقيق الاستقرار.
  4. قياس إشارة السائبة من المواد متناهية الصغر ليتم تحليلها 12 (الشكل 1B)، باتباع الخطوات القياس هو موضح في الخطوة 2. من موقف ذروة المواد السائبة، وتقدير التحول النسبي 12.
  5. تقدير قوة الليزر اللازمة لقياسات رامان باستخدام القوى المختلفة على البلورات النانوية الذهاب إلى قياسها. بدء قياس مع أقل قوة ممكنة للحصول على إشارة كافية (نسبة كثافة الذروة ليجب أن تكون الضوضاء الخلفية 50 على الأقل)، وزيادة قوة الليزر إذا لزم الأمر، طالما أن موقف وشكل النانوية رامان الذروة يبقى نفس 12،13.

2. رامان الطيفي للالنانوية الاهتمام

  1. تحميل العينة مع مسحوق النانوية أودعت على الركيزة في غرفة القياس.
    ملاحظة: أبعاد الركيزة ليست حرجة (يمكن أن يكون من ملليمترات إلى عشرات السنتيمترات) طالما أنه يناسب المرحلة صاحب العينة. مسحوق أو سمك طبقة رقيقة يجب أن تكون على الأقل عشرات نانومتر أن يكون إشارة للكشف عن رامان مطياف. لحامل مرحلة مستو الركيزة، ببساطة وضع الركيزة تحت البصريات (الشكل 1B).
    1. تأكد من أن "ليزر" وأضواء "النشطة" هي خارج قبل فتح الباب لكي تكون في مأمن من الإضاءة غير المرغوب فيها ليزر التشغيل. إذا كانت هذه الأضواء ليست حالا، تنفيذ الإجراءات في الخطوات من 20.5 و 2.6. و"الانترلوك" علامة يبقى على الدوام.
    2. اضغط على "باب بيان" وفتح باب غرفة القياس، ووضع العينة على مرحلة صاحب العينة (الشكل 1B).
  2. ضبط تركيز العينة المراد قياسها للحصول على أعلى إشارة ممكنة.
    1. حدد الهدف 50X والتركيز على سطح مسحوق النانوية (الشكل 1B).
    2. إحضار العينة تحت التركيز باستخدام مناور ض اتجاه صاحب العينة. تحقق من وضوح الصورة مركزة من عرض الكاميرا الحية على شاشة الكمبيوتر.
    3. إغلاق باب غرفة القياس.
    4. إزالة مصراع عن طريق النقر على زر "مصراع التدريجي" من برنامج RENISHAW، والسماح للضوء ليزر تألق على العينة المراد قياسها. نلاحظ أن "الليزر" وعلامات "نشطة" وميض الآن الأخضر وميض أحمر، على التوالي. في صورة حية من لياليcreen، فإن الليزر تكون مرئية (الشكل 1C).
    5. من صورة حية، صقل تركيز العينة باستخدام مناور عجلة حتى أصغر بقعة الليزر، والذي هو أفضل التركيز، ويلاحظ على الصورة الحية.
  3. اقامة القياس من برامج التحليل RENISHAW كما هو موضح أدناه (1D الشكل).
    1. من "قياس" حدد خيار جديد الاستحواذ الطيفي.
    2. من النافذة المنبثقة، تعيين نطاق القياس 150-700 سم - 1، ضبط الوقت لقياس إلى 30 ثانية، فإن العدد الإجمالي للاستحواذ كما 2X، والنسبة المئوية للطاقة الليزر إلى 0.5٪ (من 25 ميغاواط ليزر) لاستخدامها أثناء القياس. قبول المعلمات إدراج، وسيتم إغلاق النافذة.
    3. بدء القياس عن طريق النقر على زر البداية الاستحواذ على القائمة بار. خلال القياس "ليزر" وأضواء "النشطة" سيبقىعلى.
  4. لا تفتح غرفة القياس عند هذه الأضواء هي على النحو الليزر في العملية ويتم تنفيذ القياس.
  5. بعد الانتهاء من قياس، ووضع مصراع في بالنقر على "مصراع في" زر من برنامج RENISHAW. لاحظ أن الأضواء من "الليزر" و "نشط" يتم إيقاف تشغيل. اضغط على "باب بيان" ومن ثم فتح باب غرفة القياس.
  6. قبل أخذ عينة من، وانخفاض المرحلة صاحب العينة مع ض مناور حتى يكون هناك مسافة آمنة بين العينة قياس وسطح العدسة المكبرة لإزالة عينة. ثم، وضع العينة إلى الحاوية الخاصة به.
  7. إيقاف الليزر.
  8. حفظ البيانات في RENISHAW شكل برنامج ".wxd"، وفي شكل ملف نصي ". TXT". هذا الأخير سيتم استخدامها لتحليل البيانات التجريبية.

3. الحجم Distributايون تحديد من النانوية الاهتمام

  1. فتح الملفات النصية من القياسات لقياس النانوية، والمرجع الأكبر.
  2. قبل بالتآمر البيانات، وتسهيل لهم باستخدام شريحة مكعب، وتطبيع البيانات إلى 1 في أعلى المناصب ذروتها من أجل أن يكون لها مقارنة جيدة من التحولات الذروة النسبية.
  3. رسم البيانات النانوية السيليكون والسيليكون المرجعية، وتحديد موقف ذروة السيليكون المرجعية، وتقدير كمية التحول، إن وجدت، من موقع الذروة الفعلي 521 سم -1. 12 ثم حفظ البيانات النانوية السيليكون معالجتها على النحو TXT. ملف.
  4. بدء الإجراء المناسب.
    1. لهذا الإجراء المناسب، اكتب الدالة المناسب هو مبين في الشكل 2F في برنامج تحليل مثل الرياضيات.
    2. استيراد البيانات تطبيع وتصحيح كإدخال لنموذج المناسب غير الخطية باستخدام "استيراد" القيادة.
    3. ضمان أن الفاصل الزمنيلالتواء ما بين 0.1 و 1.0، والفاصل حجم متوسط ​​يتراوح بين 2 نانومتر و 20 نانومتر.
    4. إذا لزم الأمر، أدخل الذروة إضافية (الصورة) تحت الذروة قياسها باستخدام وظيفة مناسبة وكرر الخطوات 3.4.2 و3.4.3 لتتناسب مع غيرهم من التوزيع الفرعي (ق).
    5. اضغط على "التحول + أدخل" لتنفيذ الإجراء المناسب.
    6. بعد ذلك، أدخل القيم التي تم الحصول عليها لحجم متوسط ​​وأي انحراف في وظيفة التوزيع عامة محددة مسبقا هو مبين في الشكل 2B.
    7. بعد ذلك، أدخل القيم التي تم الحصول عليها لحجم متوسط، D 0، والالتواء، σ، في دالة التوزيع عامة محددة مسبقا هو مبين في الشكل 2B.
    8. تعيين الحدود الدنيا للمن تكامل ك 1 نانومتر. تعيين الحد العلوي من التكامل إلى أي حجم الذي لا يحمل أي تحول في الطيف رامان (20 نانومتر لسي البلاغات) 12.
    9. دمج وظيفة التوزيع في الشكل 2B بوصفها وظيفة من حجم النانوية باستخدام تعريف الدالة لا يتجزأ تحليل البيانات والتآمر البرنامج من خلال تحديد الأحجام الدنيا والعليا حيث الحدود لا يتجزأ (1-20 نانومتر لسي البلاغات). مؤامرة Φ (D) مقابل D لإعطاء حجم التوزيع. بدلا من ذلك، العثور على مجموعة من Φ (D) القيم لكل قيمة D (على سبيل المثال، 1-20 نانومتر لسي البلاغات بزيادة قدرها 1 نانومتر) ومؤامرة Φ (D) مقابل D، والذي هو حجم التوزيع.
    10. في حالة وجود توزيع حجم متعدد الوسائط، أولا تعريف القمم التي سيتم تركيبها لتوزيع حجم أخرى. ثم، وتقدير الكسور حجمها من حجم التوزيعات المختلفة مع الاحترام لبعضهما البعض من خلال إيجاد أولا مجالات كل القمم التي تم الحصول عليها بعد deconvolution للبيانات القياس (مع إجراء تحديد حجم التوزيع) ومن ثم حساب نسبة المساحية من كل الذروة فيما يتعلق مجموع ذروة رامان.

النتائج

لاستخدام رامان الطيفي كأداة تحليل حجم، وهذا نموذج لاستخراج المعلومات ذات الصلة من حجم هناك حاجة لطيف رامان قياسه. الشكل 2 يلخص متعددة الجسيمات التحليلي للنموذج الطاقة الصوتية الحبس 12 جميع الحجم التي تعتمد على وظيفة الطاقة الصوتية الحبس (الشكل 2 ج)<...

Discussion

النقطة الأولى هي مناقشة الخطوات الحاسمة في البروتوكول. لكي لا يكون قمم متداخلة مع المواد من الفائدة، فمن المهم استخدام نوع آخر من المواد الركيزة كما ذكر في الخطوة 1.2. على سبيل المثال، إذا سي البلاغات تهم، لا تستخدم الركيزة السيليكون للقياسات رامان. في الشكل 1،

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

NameCompanyCatalog NumberComments
Raman SpectroscopyRenishawIn ViaEquipped with 514 nm Ar ion laser
Wire 3.0RenishawRaman spectroscopy record tool
MathematicaWolframFor fitting function and size determination
SubstratePlexiglass (to avoid signal coincidence with Si-NCs)
Si waferReference to Si-NC peak position
Photoluminescence Spectroscopy334 nm Ar laser. For optical size distribution.
Transmission Electron MicroscopyBeam intensity 300 kV. For nanocrystal size and morphology determination.

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Govoni, M., Marri, I., Ossicini, S. Carrier multiplication between interacting nanocrystals for fostering silicon-based photovoltaics. Nat. Photonics. 6 (September), 672-679 (2012).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Maier-Flaig, F., Rinck, J., et al. Multicolor Silicon Light-Emitting Diodes (SiLEDs). Nano lett. 13 (2), 1-6 (2013).
  7. Patterson, A. L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination. Phys Rev. 56 (10), 978-982 (1939).
  8. 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).
  9. Heitmann, J., Müller, F., Zacharias, M., Gösele, U. . Silicon Nanocrystals: Size Matters. Adv Mat. 17 (7), 795-803 (2005).
  10. 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).
  11. Zi, J., Büscher, H., Falter, C., Ludwig, W., Zhang, K., Xie, X. Raman shifts in Si nanocrystals. Applied Physics Letters. 69 (2), 200 (1996).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Delerue, C., Allan, G., Lannoo, M. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon. Phys Rev B. 48 (15), 11024 (1993).
  17. Boufendi, L., Jouanny, M. C., Kovacevic, E., Berndt, J., Mikikian, M. Dusty plasma for nanotechnology. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (17), 174035 (2011).
  18. Wellner, A., Paillard, V., et al. Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide. J Appl Phys. 94 (2003), 5639-5642 (2003).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

102

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved