JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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

Protokol

Deney 1. Planlama

  1. Sentezlemek veya ilgi 13 (Şekil 1a) nanokristaller edinin.
  2. Alt tabaka malzemesi nanokristallerinin (Şekil 1a) Raman spektrumunda zirveleri örtüşen yok emin arka plan sinyali ile herhangi bir karışıklığı önlemek.
  3. Raman spektroskopisi kurulum Lazer açın. Lazer yoğunluğu stabilize etmek için yeterli zaman (yaklaşık 15 dakika) bekleyin.
  4. Nanomaterial bir kütle referans yığın malzemenin zirve pozisyondan Aşama 2'de tarif edilen ölçme aşaması, aşağıdaki 12 (Şekil 1b), nispi bir kaymanın 12 tahmin analiz edilecek ölçün.
  5. Ölçülen olacak nanokristalleri farklı güçlerini kullanarak Raman ölçümleri için gerekli lazer gücünü tahmin edin. Yeterli sinyal (pik yoğunluğu oranını elde etmek için mümkün olan en düşük güce sahip bir ölçüm başlayınarka plan gürültü) en az 50 olması ve gerekirse Raman zirve aynı 12,13 kalır nanokristal pozisyonu ve şekli sürece, lazer gücünü artırmalıdır.

İlgi nanokristal 2. Raman Spektroskopisi

  1. Ölçüm odasına tabaka üzerinde biriken nanokristal tozu ile örnek yükleyin.
    Not: Yüzey boyutları (onlarca santimetre milimetre arasında olabilir) sürece numune tutucusu aşamasına uygun olarak önemli değildir. Nanometre en az on Raman spektroskoba saptanabilir sinyal için en tozu ya da ince film kalınlığı olmalıdır. Düzlemsel tabaka tutucu aşaması için, sadece optik (Şekil 1b) altında alt tabaka yatıyordu.
    1. Emin "Laser" ve Marka "Aktif" ışıklar işletim lazer istenmeyen aydınlatma güvenli olması için kapıyı açmadan önce kapalı. Bu ışıklar kapalı değilse, adımda eylemleri gerçekleştirmek 20,5 ve 2.6. "Kilit" işareti her zaman kalır.
    2. Basın "Kapı Açma" ve ölçüm odasının kapısını açmak ve örnek tutucu aşama (Şekil 1b) üzerine numuneyi koydu.
  2. Ayarlayın numunenin odaklama mümkün olan en yüksek sinyal almak için ölçülecek.
    1. 50X objektif seçin ve nano-kristal toz (Şekil 1b) yüzeyi üzerinde odaklanmaktadır.
    2. Numune tutucu z-yönünde manipülatör kullanarak odak altında numune getir. Bilgisayar ekranında canlı kamera görüntüsü gelen odaklanmış görüntünün netliğini kontrol edin.
    3. Ölçüm odasının kapısını kapatın.
    4. Renishaw yazılımından "deklanşör-out" butonuna basarak deklanşör çıkarın ve örnek üzerinde lazer ışık parlaklık ölçülecek izin verin. "Lazer" ve "Etkin" işaretleri artık yeşil renkte yanıp ve sırasıyla kırmızı yanıp gözlemleyin. S canlı görüntüdecreen lazer görebilir (Şekil 1c) olacaktır.
    5. Canlı görüntü, ince ayar en iyi odak küçük lazer nokta, canlı görüntü gözlenen kadar tekerlek manipülatör kullanılarak numunenin odaklama.
  3. (Şekil 1d) aşağıda tarif edildiği gibi Renishaw analiz yazılımı bir ölçüm ayarlayın.
    1. "Ölçüm" yeni spektral edinme seçeneği seçin.
    2. A (1 30 saniye, 2x olarak satın alma toplam sayısı ve% 0.5 olarak lazer gücünün yüzdesi olarak ölçümü için zamanını ayarlamak - Pop-up pencereden, 150 700 cm ölçüm aralığını ayarlamak 25 mW lazer) Ölçüm sırasında kullanılır. Parametreler eklenir ve pencere kapalı olacaktır kabul edin.
    3. Menü-çubuğunda satın alma start düğmesine tıklayarak ölçümü başlatın. Ölçüm sırasında "Lazer" ve "Etkin" ışıklar kalırüzerinde.
  4. Bu ışıklar, lazer operasyonu olduğunu ve ölçüm yapılıyorsa olarak zaman ölçüm odasına açmayın.
  5. Ölçüm tamamlandıktan sonra, Renishaw yazılımından renkli "in çekim" linkine tıklayarak deklanşör koydu. "Lazer" ve "Aktif" ışıkları kapalı olduğunu gözlemleyin. Basın "Kapı Açma" ve ardından ölçüm odasının kapısını açın.
  6. Ölçülen numune ve örnek çıkarmak için büyüteç lens yüzeyi arasındaki güvenli bir mesafe oluncaya kadar numune dışarı çekmeden önce, z-manipülatör ile numune tutucu sahne indirin. Ardından, onun kaba geri örneği koydu.
  7. Lazer kapatın.
  8. Renishaw yazılım biçimi, ".wxd" verileri kaydetmek ve metin dosyası biçiminde, ".txt". Ikinci deneysel verilerin analizi için kullanılır.

3. Boyut DISTRIBUTİlgi nanokristal iyon Belirlenmesi

  1. Nano-kristal ölçümü için ölçüm metin dosyaları ve toplu başvuru açın.
  2. Veri komplo önce, kübik spline kullanarak bunları pürüzsüz ve nispi yükselti vardiya iyi bir karşılaştırma olması için en yüksek tepe konumlarında 1 veriyi normalleştirmek.
  3. Silikon nanokristal ve referans silikon veri arsa referans silikon tepe konumunu belirlemek ve 521 cm -1 gerçek zirve pozisyonda varsa, kaydırma miktarını tahmin. 12 Sonra .txt gibi işlenmiş silikon nanokristal verileri kaydetmek dosya.
  4. Uydurma işlemi başlatın.
    1. Uydurma prosedür için, Mathematica gibi bir analiz programına Şekil 2f gösterilen uydurma işlevi yazın.
    2. "Al" komutunu kullanarak doğrusal olmayan uydurma model için girdi olarak normalize ve düzeltilmiş veri almak.
    3. Aralığında olduğundan emin olunçarpıklık için 0.1 ve 1.0 arasında olduğu ve ortalama boyutu aralığı 2 nm ile 20 nm arasındadır.
    4. Gerekirse, uydurma işlevini kullanarak ölçülen zirve kapsamında ek tepe (ler) eklemek ve diğer alt-dağıtım (ler) sığdırmak için adımları 3.4.2 ve 3.4.3 tekrarlayın.
    5. Basın uydurma yordamı gerçekleştirmek için "Shift + Enter".
    6. Bundan sonra, ortalama büyüklüğü ve Şekil 2b gösterilen önceden tanımlanmış genel dağılım işlevi çarpıklık için elde edilen değerler yerleştirin.
    7. Bundan sonra, Şekil 2b'de gösterilen önceden tanımlanmış genel dağıtım işlevi, ortalama boyutu, D 0 ve çarpıklık, σ için elde edilen değerleri yerleştirin.
    8. 1 nm olarak integral alt sınırını ayarlayın. Raman spektrumunda herhangi vardiya 12 (Si-NC'ler 20 nm) sergilemeyen herhangi bir boyuta entegrasyon üst sınırını ayarlayın.
    9. Şekil 2b'de dağılım fonksiyonu entegre integral fonksiyonu tanımına bir veri analizi kullanılarak ve integral sınırları (Si-NC'ler için 1-20 nm) olarak alt ve üst boyutlarını ayarlama programı komplo nanokristal boyutunun bir fonksiyonu olarak. D genel Plot Φ (D) boyutu dağılımının elde edildi. Seçenek olarak ise, boyutu D D genel (örneğin, 1 ila 20 1 nm'lik bir artışla birlikte Si-NC'ler için nm) ve arsa Φ (D), her bir değeri için Φ (D) değerlerinden kümesini bulmak dağılımı.
    10. Mülti-modlu bir boyut dağılımı varsa, ilk tepe noktası büyüklüğü dağılımı için takılacak tanımlar. Sonra, ilk (boyut dağılımı belirleme prosedürü) ile ölçüm verilerinin dekonvolüsyon sonra elde edilen her maksimum alanları bulma ve ile ilgili olarak her bir tepe noktasının alansal oranını hesaplamak birbirine göre farklı boyutlu dağılımlar da hacim oranları tahmin toplam Raman tepe.

Sonuçlar

Bir boyut analizi aracı olarak Raman spektroskopisi kullanmak için bir model. Gereken bir ölçülen Raman spektrum boyutla ilgili bilgileri ayıklamak 2 analitik çoklu parçacık fonon hapsi modeli özetlemektedir Şekil. 12 All-boy-bağımlı fonon hapsi fonksiyonunu (Şekil 2 c) lognormal dağılım fonksiyonu olarak seçilir, genel bir boyut dağılım fonksiyonunun (Şekil 2 b) üzerine yansıtılır. Yarı maksimum (Şekil 2 ...

Tartışmalar

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...

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Teşekkürler

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.

Malzemeler

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.

Referanslar

  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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 102nanokristalboyut da l mRaman spektroskopisifonon hapsiboyut ba ml zelliklerisilisyum

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır