使用拉曼光谱与多颗粒的声子坐月子型号纳米大小分布的特征

Summary

我们展示了如何使用拉曼光谱法采用一种解析定义的多声子粒子约束模型，以确定以定量方式的半导体纳米晶体的尺寸分布。得到的结果与像透射电子显微镜和光致发光光谱的其它大小分析技术非常吻合。

Abstract

纳米晶体的尺寸分布的分析是它们的大小依赖特性的处理和优化的关键要求。用于大小分析的常用技术是透射电子显微镜（TEM），X射线衍射（XRD）和光致发光光谱（PL）。这些技术，然而，不适合于分析在同一时间以快速，非破坏性的纳米晶体尺寸分布和可靠的方式。我们在这一工作的目的是表明半导体纳米晶体是受尺寸相关声子限制效应的该大小分布，利用拉曼光谱法可以定量估计在非破坏性的，快速和可靠的方式。此外，混合的大小分布可以分别探测，和它们各自的体积比可以使用这种技术来估计。为了分析的粒度分布，我们已形式化的单粒子的PCM和p的解析表达式rojected它到通用分布函数将表示分析纳米晶体的尺寸分布。作为一个模型的实验中，我们已经分析的自由站立的硅纳米晶体（硅NCS）与多模态粒度分布的粒度分布。估计的大小分布是在用TEM和PL结果非常一致，揭示了模型的可靠性。

Introduction

半导体纳米晶体提请注意为他们的电子和光学特性可以通过简单地改变它们的范围大小相比，他们各自的激子玻尔半径进行调整^。1这些独特的大小相关的功能，使这些纳米晶体相关的各种技术应用。例如，载体乘法效果，观察到当一个高能量光子被的CdSe，Si和葛的纳米晶体吸收，可以在频谱变换在太阳能电池应用的概念被使用; ^{2 - 4}或尺寸相关的光发射PBS-NC的和Si-NC的所用的光可以使用发光二极管（LED）的应用程序^。5,6-对纳米晶体尺寸分布的精确知识和控制，因此将发挥上的可靠性的决定因素的作用，这些技术的应用程序基于所述性能在纳米晶体。

常用技术的尺寸d纳米晶体的istribution和形态学分析可以被列为X射线衍射（XRD），透射电子显微镜（TEM），光致发光光谱（PL）和拉曼光谱。 X射线衍射是一种结晶技术，揭示了分析材料的形态信息。从衍射峰的扩大，估计该纳米晶体的大小是可能的，但是^7，从而获得清晰的数据通常是耗时的。此外，X射线衍射只能使平均纳米晶体尺寸分布的计算。在多模态粒度分布的存在，大小分析用X射线衍射可以是误导性的，导致错误的解释。 TEM是一个功能强大的技术，使纳米晶体成像⁸虽然TEM能够揭示在多模态粒度分布各自的分布的存在下，制样问题始终努力的测量之前要花费。此外，工作在密密麻麻纳米晶体合奏不同尺寸是由于个别纳米成像的困难挑战。光致发光光谱（PL）是光学分析技术....

Protocol

1.规划实验

1. 合成或获得的利息^13（ 图1a）的纳米晶体。
2. 通过确保在基片材料不具有在纳米晶体（图1a）的喇曼光谱重叠峰避免与背景信号的任何混淆。
3. 打开拉曼光谱设置的激光。等待足够的时间（约15分钟）的激光强度稳定。
4. 测量纳米材料的散装参考待分析^12（图1b），以下在步骤2中从散装材料的峰值位置中所述的测量步骤，估计相对移位^12。
5. 估算所需要的激光功率使用上要被测量的纳米晶体不同的功率拉曼测量。开始具有最低可能的功率的测量，以获得足够的信号（峰强度的对比率背景噪声应至少50），而且如果需要增加激光功率，只要该纳米晶体拉曼峰值保持相同^12,13的位置和形状。

利息的纳米2.拉曼光谱

1. 加载与纳米晶体的粉末沉积在衬底导入测量室在样品上。
   注意:基板尺寸不是关键的（可从毫米到数十厘米），只要它适合于样品支架阶段。的粉末或薄膜的厚度应至少为几十纳米到具有从拉曼光谱仪可检测的信号。对于平面基板保持台，只需放置在光学元件（ 图1b）的衬底。
   1. 确保"激光"和"激活"灯都关了，为了从操作激光的不必要的照明是安全的开门之前。如果....

Results

对于使用拉曼光谱作为一种尺寸的分析工具，模型来提取所需的测量拉曼光谱的大小相关的信息。 图2总结了分析多粒子声子约束模型¹²全尺寸相关声子约束功能 （图2 c）的投影到一个通用尺寸分布函数（ 图2b），其被选择为对数正态分布函数。给定的幅度（图2 d）中，全宽半值（图2 e）和所述频移（图2 F）值，该模型可成功地用于确定尺寸分布。

图3设想使用多部分的ICLE声子限制模型来确定的Si-NC的尺寸分布（详细内容如下）。在本分析中使用的Si-NC的具有小的和大的Si-NC的双峰尺寸分布中所示的TEM照片^。13通过TEM大小分析（此处未示出），小的Si-NC的具有范围2-分.......

Discussion

首先讨论的焦点是协议中的关键步骤。为了不具有与所关注的材料重叠的峰，它使用另一种类型的衬底材料中提到的步骤1.2是很重要的。例如，如果硅的NC感兴趣，不使用硅衬底的拉曼测量。 图 1中，例如，硅的NC上合成有机玻璃基板，其具有完全平面信号大致围绕感兴趣的范围内， 即 480-530厘米^{- 1。}除了测量堆积的参考信号来估计纳米晶体相关的峰值的移位中提到的步骤1.4，它也很关键来定位块体的峰的精确位置，因为它也可以错开根据操作和环境拉曼光谱仪的条件。对硅-NC的的情况下，参照样品是晶体硅晶片，这是已知吨Ó有横向光学（TO）模式在521厘米^{- 1 12}然而，这可以被移动作为操作激光器，这是很喜欢与环境条件，和强度的温度的结果。因此，在测量前，每次记录一个基准数据，并相对于从文献已知的峰值位置纠正它们是重要的。高的激光功率可以加热的纳米晶体，并改变它们的大小，这导致在拉曼光谱的激光诱导的移位。因此，关键是要确定的最大激光功率，可安全地使用下列在步骤1.5中的说明。如果插入在步骤3.4.3估计的平均大小和偏斜入装配功能不能不能涵盖所测量的拉曼光谱的形状.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
拉曼光谱	雷尼绍	In Via	配备 514 nm 氩离子激光器
Wire 3.0	雷尼绍		拉曼光谱记录工具
Mathematica	Wolfram		用于拟合函数和尺寸测定
衬底			有机玻璃（避免信号与 Si-NC 重合）
硅晶片			参考 Si-NC 峰值位置
光致发光光谱			334 nm Ar 激光器。用于光学尺寸分布。
透射电子显微镜			光束强度 300 kV。用于纳米晶体尺寸和形态测定。