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
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deney 1. Planlama
- Sentezlemek veya ilgi 13 (Şekil 1a) nanokristaller edinin.
- Alt tabaka malzemesi nanokristallerinin (Şekil 1a) Raman spektrumunda zirveleri örtüşen yok emin arka plan sinyali ile herhangi bir karışıklığı önlemek.
- Raman spektroskopisi kurulum Lazer açın. Lazer yoğunluğu stabilize etmek için yeterli zaman (yaklaşık 15 dakika) bekleyin.
- 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.
- 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
- 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.- 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.
- Basın "Kapı Açma" ve ölçüm odasının kapısını açmak ve örnek tutucu aşama (Şekil 1b) üzerine numuneyi koydu.
- Ayarlayın numunenin odaklama mümkün olan en yüksek sinyal almak için ölçülecek.
- 50X objektif seçin ve nano-kristal toz (Şekil 1b) yüzeyi üzerinde odaklanmaktadır.
- Numune tutucu z-yönünde manipülatör kullanarak odak altında numune getir. Bilgisayar ekranında canlı kamera görüntüsü gelen odaklanmış görüntünün netliğini kontrol edin.
- Ölçüm odasının kapısını kapatın.
- 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.
- Canlı görüntü, ince ayar en iyi odak küçük lazer nokta, canlı görüntü gözlenen kadar tekerlek manipülatör kullanılarak numunenin odaklama.
- (Şekil 1d) aşağıda tarif edildiği gibi Renishaw analiz yazılımı bir ölçüm ayarlayın.
- "Ölçüm" yeni spektral edinme seçeneği seçin.
- 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.
- Menü-çubuğunda satın alma start düğmesine tıklayarak ölçümü başlatın. Ölçüm sırasında "Lazer" ve "Etkin" ışıklar kalırüzerinde.
- Bu ışıklar, lazer operasyonu olduğunu ve ölçüm yapılıyorsa olarak zaman ölçüm odasına açmayın.
- 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.
- 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.
- Lazer kapatın.
- Renishaw yazılım biçimi, ".wxd" verileri kaydetmek ve metin dosyası biçiminde, ".txt". Ikinci deneysel verilerin analizi için kullanılır.
3. Boyut DISTRIBUTİlgi nanokristal iyon Belirlenmesi
- Nano-kristal ölçümü için ölçüm metin dosyaları ve toplu başvuru açın.
- Veri komplo önce, kübik spline kullanarak bunları pürüzsüz ve nispi yükselti vardiya iyi bir karşılaştırma olması için en yüksek tepe konumlarında 1 veriyi normalleştirmek.
- 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.
- Uydurma işlemi başlatın.
- Uydurma prosedür için, Mathematica gibi bir analiz programına Şekil 2f gösterilen uydurma işlevi yazın.
- "Al" komutunu kullanarak doğrusal olmayan uydurma model için girdi olarak normalize ve düzeltilmiş veri almak.
- Aralığında olduğundan emin olunçarpıklık için 0.1 ve 1.0 arasında olduğu ve ortalama boyutu aralığı 2 nm ile 20 nm arasındadır.
- 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.
- Basın uydurma yordamı gerçekleştirmek için "Shift + Enter".
- Bundan sonra, ortalama büyüklüğü ve Şekil 2b gösterilen önceden tanımlanmış genel dağılım işlevi çarpıklık için elde edilen değerler yerleştirin.
- Bundan sonra, Şekil 2b'de gösterilen önceden tanımlanmış genel dağıtım işlevi, ortalama boyutu, D 0 ve çarpıklık, σ için elde edilen değerleri yerleştirin.
- 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.
- Şekil 2b'de dağılım fonksiyonu entegre 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.
- 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 e) ve frekans kayması (Şekil 2 f) değeri genlik (Şekil 2 d) 'de, tam genişlik dikkate alındığında, bu model, başarılı bir boyutu dağılımının saptanması için kullanılabilir.
Şekil 3, çok parçalı kullanımını eleicle fonon hapsi modeli Si-NC'ler boyut dağılımının (ayrıntılar takip edecek) belirlemek için. TEM resimde gösterildiği gibi, bu analizde kullanılan Si-NC'ler küçük ve büyük Si-NC'ler bir bimodal büyüklük dağılımına sahiptir. 13 (burada gösterilmeyen) TEM boyutu analizi, küçük bir Si-NC'ler aralığında 2- bir dağılımına sahip göre 10 nm ve büyük Si-NC'ler aralığı 40-120 nm bir dağılım var. Sol panelde Raman spektrumunun analizi, küçük Si-NC'ler boyut dağılımı aralığı 2-10 nm gerçekten olduklarını ortaya koymaktadır. Dağıtım 4,2 nm'lik bir ortalama boyutu olan lognormal ve 0.27 bir çarpıklık (şekil anizotropi faktörü).
Şekil 4, plazma geliştirilmiş kimyasal buhar birikim (PECVD) sistemde akan farklı haberci kullanılarak sentezlendi Si-NC'ler ayrıntılı bir karşılaştırmalı analizini temsil etmektedir. Olarak ölçülen Raman verileri uydurma için, biz Si-NC karışımı içinde iki alt dağılımları olduğunu bilerek iki uydurma fonksiyonları kullanılır. Si yana20 nm daha büyük boyutları için boyut bağımlı tepe-shift görünmüyor, bir yığın gibi Lorentz zirve "Büyük Si olarak temsil bu durumda aralık 40-120 nm (olan büyük Si-NC'ler için atanabilir -NCS "plot). Küçük Si-NC'ler için, (arsa "Küçük Si-NC'ler" olarak temsil edilir) uydurma fonksiyonu olarak multi-parçacık fonon hapsi modeli kullanılır. Ortalama boyutu ve boyut dağılımının eğiklik Şekil 2b'de gösterilen boyutu dağılımına çizmek için gerekli parametreler, bu uyum, elde edilir. Bu oturtma fonksiyonu olan bir zirve-kaydırma artık gözlenmez olan boyutu, yani, Si-NC'ler 20 nm'ye kadar entegre edilebilir. Sonuçlar başarılı ortalama ebadı, çarpıklık ve Raman spektroskopisi kullanılarak Si-NC'ler tam boyutu dağılımına (panel c ve d) tespit göstermektedir. Dahası, küçük Si-NC'ler ve büyük Si-NC'ler hacim oranı entegre edilmiş zirve alanlarının oranı ile tespit edilebilir.10 SCC'lerin SiH 4 akış durumu için, küçük bir Si-NC hacim fraksiyonu ise Si-NC'ler 3 SCC'ler SiH4 akışı, küçük bir Si-NC'ler hacim fraksiyonunun (saniye başına standart kübik santimetre) kullanılarak sentez için,% 80 idi % 88.
Şekil 5, çeşitli teknikler Si-NC'ler saptanmış ortalama parçacık boyutu karşılaştırmasını göstermektedir. Birincisi, analitik-PCM 12 (yıldız) PCM ile çok iyi bir uyum içindedir. 10 İkinci olarak, Raman spektroskopisi elde edilen sonuçlar transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve fotoluminesans spektroskopisi (PL) elde edilen sonuçlarla iyi bir uyum içindedir ( PL boyutu dağılımı Delerue ve ark., 16) modeli kullanılarak elde edilir. Bu Si-NC'ler boyutu analizi için analitik-PCM ile Raman spektroskopisi kullanılarak güvenilirliğini kanıtlıyor. Buna ek olarak, aynı zamanda, yarı iletken nanokristallerin büyüklüğü analizi için kullanılan BPM, 11 göstermektedir.Şekil 5 PCM boyutuna bağlı BPM göre daha iyi vardiya Raman bir Si-NC boyutu öngörür da varmıştır.
Şekil 1. Nanopartiküllerin Temsil ve Raman spektrometresi. A) Si-NC'ler bir PECVD aracını kullanarak pleksiglas substratlar üzerinde bir Ar / SiH4 gaz karışımı yatırılır. Si-NC'ler bir toz şeklindedir. Alt-tabaka üzerinde tonu farklılıkları sentezi 13 boyunca farklı plazma bölgelerine maruz morfolojileri ve Si-NC tozu kalınlığında farklılıklar kaynaklanmaktadır. Si-NC'ler ve biriken morfolojileri Raman spektroskopisi ölçümleri için hazırız. Substratın kısa kenar 2 cm dir. B) Referans numunesi, yani kristal Si gofret, toplu Si Raman tepe konumunu gözlemlemek amacıyla ölçüm. Bu BİLİŞİMOnların toplu zirve konumundan Si-NC'ler göreli kayması belirlenirken n bir referans noktası olarak kullanılacaktır. büyüklüğünün belirlenmesi çalışmaları. d) verileri gerçekleştirmek ve kayıt için yazılım ekran için kullanılan Raman spektrometresi c) Görüntü analiz edilebilir.
Şekil 2. Si-NC'ler boyut dağılımı. B Si-NCS a.) Raman yoğunluk) tek Si-NC boyut dağılımı. C) Analitik temsil belirlemek için genel bir boyut dağılımı fonksiyonu boyut dağılımının analizinde kullanılan formüller Bir boyut D. d) genlik, e) tam genişlikte yarı maksimum ve bir Si-NC parçacık PCM f) açıkça boyut D, bir Si-NC titreşim frekansı gösterimleric) 'de gösterilir.
Şekil 3. Raman spektroskopisi analizden büyüklük dağılımını nanokristal için. Raman spektroskopisi ile ilgili olarak ölçülen veriler çoklu partikül analitik PCM kullanılarak nanokristallerin nicel büyüklük dağılımı dönüştürülebilir.
Şekil 4. Büyüklüğü ve Si-NC'ler hacim fraksiyonu analizi. Si-NC'ler Raman spektrumu, PECVD using aracı) 3 SCC'lerin ve sentezlenen b) sırasıyla, SiH4 (silan) gaz akışının 10 SCC. A) ve b), küçük ve büyük Si-NC'ler için ters evrişim rota göstermektedir. Dekonvolüsyon toplu gibi büyük Si-NC'ler ve multi-parçacık analitik-P için Lorentz tepe kullanılarak yapılırKüçük Si-NC'ler için CM. Sırasıyla) 3 ve 10 SCC'ler SiH4 c gösterilmektedir akış) ve d boyut dağılımları ve küçük Si-NC'ler hacmi fraksiyonları gelir. Küçük Si-NC'ler ortalama boyutlu panel c 0.26 çarpıklık 4.2 nm) ve panel d 0.30 çarpıklık 3.7 nm). Hacim fraksiyonları, sırasıyla) 80% ve panel C) ve D 88% 'si olarak hesaplanmıştır.
Çeşitli teknikler Si-NCS boyutu dağılımının Şekil 5. Karşılaştırması. Si-NC'ler Raman spektroskopisi kullanarak çeşitli teknikler (TEM ve PL 16) ve boyut analizi kullanarak Boyut analizi mükemmel anlaşma ile sonuçlanmıştır. Sonuçlar ayrıca PCM bpm ile ilgili olarak daha doğru bir boyutu belirleme yol açtığını göstermektedir. Bu rakam olması vardırtr Ref güncellenmiştir. Fizik American Institute izniyle 12.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 sentezlendi - 1. Aynı zamanda kaydırılabilir çünkü aşama 1.4'te belirtildiği gibi nanokristal ile ilgili pik kayması tahmin etmek için bir kütle referans sinyali ölçülmesine ek olarak, kullanıldığı yere göre, aynı zamanda, kütle malzemenin zirve tam konumu için kritik Raman spektroskobun ve çevre koşulları. Si-NC'ler durumu için, referans örneği t bilinen bir kristalin silikon gofret olup. 1 12 Ancak bu ortam koşulları ve yoğunluğu ile sevdim işletim lazer, sıcaklığı sonucu olarak kaydırılabilir - o 521 cm enine optik (TO) modu var. Bu nedenle, ölçümlerden önce bir referans verileri her zaman kayıt ve literatürden bilinen tepe pozisyonlara göre bunları düzeltmek için çok önemlidir. Yüksek lazer güç nanokristaller ısıtmak ve Raman spektrumunda bir lazer kaynaklı kayma sonucu kendi boyutlarını değiştirebilirsiniz. Bu nedenle, adım 1.5 adresindeki talimatları takip güvenle kullanılabilecek maksimum lazer gücünü belirlemek için kritik öneme sahiptir. Uydurma işlevi adım 3.4.3 tahmini ortalama büyüklüğü ve çarpıklık ekleyerek ölçülen Raman spektrumu şekil kapsamaz yapamıyorsanız, bu analiz malzeme alt dağılımları oluşur anlamına gelir. Ardından montaj için ek doruklarına eklemek için tekrar adımları 3.4.2 ve 3.4.3 tekrarlayın. İntegral Boun belirlenmesiboyutu dağılımı için daries (aşama 3.4.7) birbirinden kritik bir noktadır. Dağılım fonksiyonu integral sınırları nanokristal büyüklüğü dağılımı en küçük ve en büyük boyutları temsil etmektedir. 1 nm nanokristal sistemlerinin çoğu için küçük kararlı boyutudur. Boyut bağımlı kaymanın miktarı nanokristal büyüklükte bir artış ile düştükçe 17 herhangi bir kayma gösteren değil herhangi bir boyuta entegrasyon üst sınırını ayarlamak Raman spektrumu (adım 3.4.8). Örneğin, Si-NC'ler Raman spektrumda herhangi bir kayma sergilemeyen mil 20 daha büyük boyutları olan, dökme yük benzeri bir davranış benzer. 10,12 Bu nedenle, Si-NC'ler daha büyük ebatları ile yekpare üst sınırını ayarlama 20 nm sonucu değiştirmez.
PCM karmaşık bir anlatım yoluyla nanokristallerin büyüklüğü bağımlı Raman zirveleri açıklanır. Aslında, PCM fonon dispersiyon, lohusalık fonksiyonu ve VIB bağlıdırTüm zımnen boyutu, D bağlıdır rasyon frekansı. Bundan başka, PCM belirli bir boyutu için ve büyüklük dağılımını belirlemek üzere, genel bir dağılım fonksiyonu yansıtılacak olan bir boyut aralığında entegre olsun sahiptir. Bu prosedür, şimdi experimentalists çoğunlukla olduğu gibi ölçülen Raman tepe kayması Si-NC'ler ortalama boyutunu belirlemek için Raman spektroskopisi kullanılarak yapıldı karmaşık ve yukarı. Diğer yandan, formüle sahip çok-tanecikli analitik PCM açık bir parametresi olarak boyutu, D içerir ve mümkün ortalama büyüklüğü, aynı zamanda tam bir dağılım, sadece belirlemek ve basit bir şekilde şekil yapar Raman spektroskopisi kullanılarak.
Zaten fark gibi, Raman spektroskopisi Si için yaklaşık 20 nm hapsi limiti içinde nanokristallerin büyüklük dağılımını belirlemek mümkün değildir. Bir boyutu-sergilemeyen gibi daha büyük boyutlar da büyüklük dağılımı için analiz edilemezRaman spektrumunda, yani bağımlı özelliği, benzer pik şekilleri ve toplu kristal Si olarak görev var. Bu sınırlama, Raman spektrumunda boyutuna bağlı pik sergileyen nano-kristal sistemi kayması her tür için de geçerlidir. Ancak, doğumdan sınırı nanokristal sistemine bağlı olarak değişebilir. Örneğin, Ge-NC'ler için hapsi limiti yaklaşık 15 nm. 18
Nanokristallerin büyüklüğü analizi sırasında bir endişe nedeniyle Raman spektroskopisi kullanılarak yanlış boyut yorumların neden olabilir ikincil nedenlerle, bir nanokristallerin Raman zirvelerinin değişikliğidir. Bu ikincil nedenler, yapısal değişiklik Raman ölçümü sırasında aşırı lazer güç altında nanokristallerin (tane büyümesi veya şekil değişikliği) ve nanokristaller (varsa) gömülü olduğu matrisi tarafından uyarılan stres vardır. Aşırı lazer ısınmayı önlemek için, mümkün olan en düşük lazer gücü ölçümü başlatın ve artırmak için tavsiye ediliryavaş yavaş net bir sinyal kurmak. Sürece pik şekil ve konum kullanılan lazer gücünün sabit bağımsız kalır gibi, kullanılan lazer gücü güvenli sınırı olduğunu kabul edilebilir. 13 ek olarak, sınır, ötesinde Raman piklerin bir ısıtma ile ilgili olan genişleyen gözlenen Fano genişlemesi olarak literatürde tanımlanmıştır. 12,19 sürece Fano Genişletici sınırına ulaşıldı değil gibi, nanopartiküller ısıtma ile ilgili değişikliklere tabi değildir. Stres ile ilgili pik kayması mevcut ise, kaçınılmaz ve boyutuna bağlı pik kayması belirlemeden önce hesaba katılması gerekir. Stresi miktarıdır dağılım ucu konumunda bir kaydırma stresinin bir ölçüsüdür X-ışını kırınımı (XRD) kullanılarak belirlenebilir. Tahmin edilen stresi, daha sonra. Strese bağlı pik kayması teriminin bir ek ile Raman spektrumunda açıklanabilir hiçbir stres XRD den gözlenirse, 18, boyut dağılımının doğrudan analizi yapılabilirolarak ölçülen Raman spektrumu. Tüm nanopartiküller istikrarlı yapıya sahip bu yana, daha önce görüldüğü gibi, 14 Kristalinitesi iyi kurulmuş olup, fakir kristalin yapıları ile ilgili endişeleri Raman analizi için dışladı edilmiştir.
Çoklu tanecik, analitik PCM bir dağıtım işlevi ve kullanılan sınırlandırıcı işlev açısından esnek olan, Şekil 2'de gösterilmiştir. Örneğin, genel bir dağılım fonksiyonunun her tür lognormal dağılım fonksiyonu ile ikame edilmiş olabilir fonon sınırlandırıcı işlevini etkilemeden, normal bir lognormal, ya da bir lojistik fonksiyon olabilir, yani. Buna ek olarak, analitik PCM 2 c kullanılacak malzemenin türüne bağlı olarak, yeniden tanımlanabilir Şekil gösterdi. (Boyut bağımlı Raman tepe vardiya sergileyen Bazı nanokristal sistemleri, böylece onların boyutu dağılımları canAyrıca Ge-NC'ler, 20 SnO 2 -NCS, 21 TiO2 -NCS, 22 ve elmas NC'ler) Raman spektroskopisi olan kullanılarak tespit edilecek. 23
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- Doğan, İ, 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, İ, 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, İ, 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.
- 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).
