Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

एक मल्टी-कण फ़ोनॉन बन्दिश मॉडल के साथ रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग Nanocrystal आकार के वितरण की विशेषता

Published: August 22, 2015 doi: 10.3791/53026
Automatic Translation
1, 1,2
1Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, 2Dutch Institute for Fundamental Energy Research

Summary

हम एक विश्लेषणात्मक परिभाषित बहु-कण phonon कारावास मॉडल रोजगार रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर एक मात्रात्मक तरीके से अर्धचालक nanocrystals के आकार के वितरण का निर्धारण कैसे प्रदर्शित करता है। प्राप्त परिणामों के संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे अन्य आकार विश्लेषण तकनीक के साथ उत्कृष्ट समझौते में हैं।

Abstract

Nanocrystals के आकार के वितरण के विश्लेषण से उनके आकार पर निर्भर गुण के प्रसंस्करण और अनुकूलन के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। आकार विश्लेषण के लिए इस्तेमाल आम तकनीकों संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर), एक्स-रे विवर्तन (XRD) और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल) कर रहे हैं। इन तकनीकों में, हालांकि, एक ही समय में एक तेज, गैर विनाशकारी में nanocrystal आकार के वितरण और एक विश्वसनीय तरीके से विश्लेषण करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं। इस काम में हमारा उद्देश्य, आकार पर निर्भर phonon कारावास प्रभाव के अधीन हैं कि अर्धचालक nanocrystals की है कि आकार के वितरण का प्रदर्शन करने के लिए मात्रात्मक रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर एक गैर विनाशकारी, तेज और विश्वसनीय ढंग से अनुमान लगाया जा सकता है। इसके अलावा, मिश्रित आकार वितरण अलग से जांच की जा सकती है, और उनके संबंधित बड़ा अनुपात में इस तकनीक का उपयोग कर अनुमान लगाया जा सकता है। आकार के वितरण का विश्लेषण करने के लिए, हम एक-कण पीसीएम और पी के एक विश्लेषणात्मक अभिव्यक्ति formulized हैविश्लेषण किया nanocrystal के आकार के वितरण का प्रतिनिधित्व करेंगे कि एक सामान्य वितरण समारोह पर यह rojected। एक मॉडल के प्रयोग के रूप में, हम मल्टी मॉडल आकार वितरण के साथ मुक्त खड़े सिलिकॉन nanocrystals (सी-NCS) के आकार के वितरण का विश्लेषण किया है। अनुमान के अनुसार आकार वितरण हमारे मॉडल की विश्वसनीयता का खुलासा, मंदिर और पीएल परिणामों के साथ समझौते में उत्कृष्ट हैं।

Introduction

उनके इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण बस उनके संबंधित exciton-बोह्र त्रिज्या की तुलना रेंज में उनके आकार बदलकर देखते जा सकता है के रूप में अर्धचालक nanocrystals ध्यान आकर्षित। 1 इन अद्वितीय आकार पर निर्भर सुविधाओं विभिन्न तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए इन nanocrystals प्रासंगिक बनाने। उदाहरण के लिए, वाहक गुणा प्रभाव, एक उच्च ऊर्जा फोटॉन सीडीएसई, सी, और जीई के nanocrystals द्वारा अवशोषित कर लेता है, जब सौर सेल अनुप्रयोगों में स्पेक्ट्रम रूपांतरण की अवधारणा में इस्तेमाल किया जा सकता मनाया, 2 - से 4 या आकार पर निर्भर ऑप्टिकल उत्सर्जन पीबीएस एनसीएस और सी-एनसीएस डायोड (एलईडी) अनुप्रयोगों प्रकाश उत्सर्जक में इस्तेमाल किया जा सकता है। 5,6 nanocrystal आकार के वितरण पर एक सटीक ज्ञान और नियंत्रण इसलिए विश्वसनीयता पर एक निर्धारक भूमिका और आधारित इन तकनीकी अनुप्रयोगों के प्रदर्शन को खेलेंगे nanocrystals पर।

आकार D के लिए आमतौर पर इस्तेमाल की तकनीकnanocrystals के istribution और आकृति विज्ञान विश्लेषण एक्स-रे विवर्तन (XRD), संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर), photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल), और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में सूचीबद्ध किया जा सकता है। XRD विश्लेषण किया सामग्री की रूपात्मक जानकारी से पता चलता है कि एक क्रिस्टेलोग्राफिक तकनीक है। विवर्तन चोटी के विस्तार से, nanocrystal आकार के आकलन 7 हालांकि, एक स्पष्ट डेटा प्राप्त करने आमतौर पर समय लगता है, संभव है। इसके अलावा, XRD केवल nanocrystal आकार के वितरण के औसत की गणना सक्षम कर सकते हैं। मल्टी मॉडल आकार वितरण के अस्तित्व में, एक्सआरडी साथ आकार विश्लेषण गुमराह किया जा सकता है और क्या गलत व्याख्याओं में परिणाम। मंदिर एक मल्टी मॉडल आकार के वितरण में व्यक्तिगत वितरण की उपस्थिति प्रकट करने में सक्षम है हालांकि मंदिर nanocrystals के इमेजिंग सक्षम बनाता है एक शक्तिशाली तकनीक है। 8, नमूना तैयार करने के मुद्दे माप से पहले खर्च किया जा करने के प्रयास हमेशा होता है। इसके अलावा, घनी पैक नैनो पर कामविभिन्न आकारों के साथ क्रिस्टल टुकड़ियों क्योंकि व्यक्ति nanocrystal इमेजिंग की कठिनाई की चुनौती दे रहा है। Photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल) एक ऑप्टिकल विश्लेषण तकनीक है, और ऑप्टिकली सक्रिय nanocrystals का निदान किया जा सकता है। Nanocrystal आकार के वितरण के आकार पर निर्भर उत्सर्जन से प्राप्त होता है। 9 के कारण अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल नैनोकणों प्रभाव कारावास के अधीन नहीं हैं कि बड़े nanocrystals, और दोष युक्त छोटे nanocrystals के उनके गरीब ऑप्टिकल गुण को पीएल और मनाया आकार से नहीं पाया जा सकता वितरण केवल अच्छा ऑप्टिकल गुणों के साथ nanocrystals तक सीमित है। इन उपरोक्त तकनीकों में से प्रत्येक अपने फायदे हैं, हालांकि उनमें से कोई भी से और आर्दश आकार विश्लेषण तकनीक (कि गैर विनाशकारी, और विश्वसनीय, तेजी से किया जा रहा है) की उम्मीदों को पूरा करने की क्षमता है।

Nanocrystals के आकार के वितरण के विश्लेषण का एक और साधन रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी व्यापक रूप से उपलब्ध हैमें प्रयोगशालाओं की सबसे अधिक है, और यह एक तेजी से और गैर विनाशकारी तकनीक है। इसके अलावा, ज्यादातर मामलों में, नमूना तैयार करने की आवश्यकता नहीं है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का विश्लेषण सामग्री का एक अलग morphologies (स्फटिक या अनाकार) के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो कंपन तकनीक, और (आवृत्ति स्पेक्ट्रम में दिखाई देते हैं कि phonon मोड में आकार पर निर्भर पारी से) आकार से संबंधित जानकारी है । 10 रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की अनूठी विशेषता आकार पर निर्भर परिवर्तन आवृत्ति स्पेक्ट्रम में एक बदलाव, phonon चोटी के आकार (व्यापक बनाने, विषमता) के रूप में मनाया जाता है, जबकि nanocrystal आकार के वितरण के आकार के बारे में जानकारी देता है, वह है। इसलिए यह विश्लेषण किया nanocrystals के आकार के वितरण प्राप्त करने के लिए रमन स्पेक्ट्रम से आवश्यक जानकारी, यानी, मतलब आकार और आकृति कारक, निकालने के लिए सिद्धांत रूप में संभव है। मल्टी मॉडल आकार वितरण के मामले में उप-वितरण भी अलग से deconvolu के माध्यम से पहचाना जा सकता हैप्रयोगात्मक रमन स्पेक्ट्रम की tion।

साहित्य में, दो सिद्धांतों सामान्यतः रमन स्पेक्ट्रम के आकार पर nanocrystal आकार के वितरण के प्रभाव मॉडल करने के लिए भेजा जाता है। बंधन polarizability मॉडल (बीपीएम) 11 कि आकार के भीतर सभी बांड के योगदान से एक nanocrystal की polarizability वर्णन करता है। एक-कण phonon कारावास मॉडल (पीसीएम) 10 एक विशिष्ट आकार के साथ एक nanocrystal की रमन स्पेक्ट्रम को परिभाषित करने के आकार पर निर्भर शारीरिक चर, यानी, क्रिस्टल गति, phonon आवृत्ति और फैलाव, और कारावास की डिग्री का उपयोग करता है। इन शारीरिक चर आकार पर निर्भर करती है के बाद से, स्पष्ट रूप से nanocrystal आकार के एक समारोह के रूप में formulized जा सकता है कि पीसीएम के एक विश्लेषणात्मक प्रतिनिधित्व परिभाषित किया जा सकता है। एक सामान्य आकार के वितरण समारोह पर इस अभिव्यक्ति में पेश इसलिए nanocr निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो पीसीएम के भीतर आकार के वितरण का प्रभाव है, के लिए खाते में सक्षम हो जाएगाप्रयोगात्मक रमन स्पेक्ट्रम से ystal आकार के वितरण। 12

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

प्रयोगों के 1. योजना

  1. Synthesize या ब्याज 13 (चित्रा 1 ए) के nanocrystals प्राप्त करते हैं।
  2. सब्सट्रेट सामग्री nanocrystals (चित्रा 1 ए) के रमन स्पेक्ट्रम में चोटियों ओवरलैपिंग के पास नहीं है कि सुनिश्चित करने के द्वारा पृष्ठभूमि संकेत के साथ किसी भी भ्रम की स्थिति से बचें।
  3. रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी की स्थापना के लिए लेजर पर मुड़ें। लेजर तीव्रता को स्थिर करने के लिए पर्याप्त समय (लगभग 15 मिनट) तक प्रतीक्षा करें।
  4. Nanomaterial के एक थोक संदर्भ थोक माल की चरम स्थिति से कदम 2 में वर्णित माप चरणों का पालन 12 (चित्रा 1 बी), रिश्तेदार पारी में 12 का अनुमान विश्लेषण किया जा करने के लिए उपाय।
  5. मापा जा करने के लिए जा nanocrystals पर विभिन्न शक्तियों का उपयोग कर रमन माप के लिए आवश्यक लेजर शक्ति का अनुमान है। पर्याप्त संकेत (करने के लिए चोटी की तीव्रता के अनुपात पाने के लिए संभव सबसे कम शक्ति के साथ एक माप शुरूपृष्ठभूमि शोर) कम से कम 50 होना चाहिए, और यदि आवश्यक हो तो रमन चोटी एक ही 12,13 रहता nanocrystal की स्थिति और आकार के रूप में लंबे समय के रूप में, लेजर शक्ति में वृद्धि करनी चाहिए।

ब्याज की nanocrystal की 2. रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी

  1. माप के चेंबर में सब्सट्रेट पर जमा nanocrystal पाउडर के साथ नमूना लोड।
    नोट: सब्सट्रेट आयाम (सेंटीमीटर के दसियों मिलीमीटर से किया जा सकता है) के रूप में लंबे समय से यह नमूना धारक चरण के लिए फिट बैठता है के रूप में महत्वपूर्ण नहीं हैं। नैनोमीटर के कम से कम दसियों रमन स्पेक्ट्रोस्कोप से पहचाने जाने संकेत है पर पाउडर या पतली फिल्म मोटाई होना चाहिए। तलीय सब्सट्रेट धारक चरण के लिए, बस प्रकाशिकी (चित्रा 1 बी) के तहत सब्सट्रेट रखना।
    1. यकीन है कि "लेजर" और बनाओ "सक्रिय" रोशनी ऑपरेटिंग लेजर के अवांछित रोशनी से सुरक्षित होने के लिए दरवाजा खोलने से पहले बंद कर रहे हैं। इन लाइट बंद नहीं कर रहे हैं, चरणों में कार्रवाई प्रदर्शन 20.5 और 2.6। "आलिंगन" हस्ताक्षर हमेशा पर रहता है।
    2. प्रेस "दरवाजा रिलीज" और माप चैम्बर का दरवाजा खुला, और नमूना धारक मंच (चित्रा 1 बी) पर नमूना डाल दिया।
  2. समायोजित नमूना का ध्यान केंद्रित उच्चतम संभव संकेत पाने के लिए मापा जाएगा।
    1. 50X उद्देश्य का चयन करें और nanocrystal पाउडर (चित्रा 1 बी) की सतह पर ध्यान केंद्रित।
    2. नमूना धारक के Z-दिशा जोड़तोड़ का उपयोग फोकस के तहत नमूना ले आओ। कंप्यूटर स्क्रीन पर लाइव कैमरे को देखने से ध्यान केंद्रित छवि की स्पष्टता की जाँच करें।
    3. माप कक्ष के दरवाजे बंद कर दें।
    4. Renishaw सॉफ्टवेयर से "शटर आउट" बटन पर क्लिक करके शटर निकालें, और नमूना पर लेजर प्रकाश चमक मापा जाना करते हैं। "लेजर" और "सक्रिय" संकेत अब हरी फ्लैश और क्रमश: लाल पलक कि निरीक्षण करें। S से लाइव छवि मेंcreen, लेजर दिखाई (चित्रा -1 सी) हो जाएगा।
    5. लाइव छवि से, ठीक धुन सबसे अच्छा ध्यान केंद्रित है, जो छोटी से छोटी लेजर हाजिर, लाइव छवि पर मनाया जाता है जब तक पहिया जोड़तोड़ का उपयोग नमूना का ध्यान केंद्रित है।
  3. (चित्रा -1) से नीचे के रूप में वर्णित है Renishaw विश्लेषण सॉफ्टवेयर से एक माप की स्थापना की।
    1. "मापन" से नया वर्णक्रमीय अधिग्रहण के विकल्प का चयन करें।
    2. एक के (1, 30 सेकंड, 2x के रूप में अधिग्रहण की कुल संख्या, और 0.5% के रूप में लेजर शक्ति के प्रतिशत के रूप में माप के लिए समय निर्धारित - पॉप-अप विंडो से, 150 से 700 सेमी से माप सीमा निर्धारित 25 मेगावाट लेजर) माप के दौरान इस्तेमाल किया जाएगा। मानकों को डाला, और खिड़की बंद कर दिया जाएगा स्वीकार करते हैं।
    3. मेनू पट्टी पर अधिग्रहण शुरू बटन पर क्लिक करके माप की शुरुआत करें। माप के दौरान "लेजर" और "सक्रिय" रोशनी रहेगापर।
  4. इन रोशनी लेजर आपरेशन में है और माप प्रदर्शन किया जा रहा है के रूप में कर रहे हैं पर जब माप चैम्बर मत खोलना।
  5. माप बाद समाप्त हो गया, Renishaw सॉफ्टवेयर से बटन "में शटर" पर क्लिक करके में शटर डाल दिया। "लेजर" और "सक्रिय" की रोशनी बंद कर दिया जाता है कि ध्यान से देखें। प्रेस "दरवाजा रिलीज" और फिर माप चैम्बर का दरवाजा खुला।
  6. मापा नमूना और नमूना दूर करने के लिए आवर्धक लेंस की सतह के बीच एक सुरक्षित दूरी नहीं है जब तक नमूना लेने से पहले, जेड-जोड़तोड़ के साथ नमूना धारक चरण कम है। फिर, इसके कंटेनर वापस करने के लिए नमूना डाल दिया।
  7. लेजर बंद कर दें।
  8. Renishaw सॉफ्टवेयर के प्रारूप, ".wxd" में डेटा को बचाने, और पाठ फ़ाइल स्वरूप में, ".txt"। उत्तरार्द्ध प्रयोगात्मक डेटा के विश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया जाएगा।

3. आकार distributब्याज की nanocrystal की आयन निर्धारण

  1. Nanocrystal माप के लिए माप का पाठ फ़ाइलों, और थोक संदर्भ खोलें।
  2. डेटा की साजिश रचने से पहले, घन तख़्ता का उपयोग कर उन्हें चिकनी, और रिश्तेदार चोटी पारियों में से एक अच्छी तुलना है, के क्रम में अपने उच्चतम शिखर पदों पर 1 के लिए डेटा मानक के अनुसार।
  3. , सिलिकॉन nanocrystal और संदर्भ सिलिकॉन डेटा प्लॉट संदर्भ सिलिकॉन की चरम स्थिति का निर्धारण, और 521 सेमी -1 की वास्तविक चरम स्थिति से, यदि कोई हो, पारी की राशि का अनुमान है। 12 तब .txt के रूप में प्रसंस्कृत सिलिकॉन nanocrystal डेटा को बचाने के फ़ाइल।
  4. फिटिंग प्रक्रिया शुरू करें।
    1. फिटिंग प्रक्रिया के लिए, इस तरह के मेथेमेटिका के रूप में एक विश्लेषण कार्यक्रम में चित्रा 2 एफ में दिखाया फिटिंग समारोह टाइप करें।
    2. "आयात" आदेश का उपयोग गैर रेखीय फिटिंग मॉडल के लिए इनपुट के रूप में सामान्यीकृत और सही डेटा आयात करें।
    3. अंतराल सुनिश्चित करें किविषमता के लिए 0.1 और 1.0 के बीच है, और मतलब आकार अंतराल 2 एनएम और 20 एनएम के बीच है।
    4. यदि आवश्यक हो, फिटिंग समारोह का उपयोग करके मापा चोटी के तहत अतिरिक्त शिखर (एस) डालने और अन्य उप-वितरण (एस) को फिट करने के लिए कदम 3.4.2 और 3.4.3 दोहराएँ।
    5. प्रेस फिटिंग प्रक्रिया का प्रदर्शन करने के लिए "Shift + Enter"।
    6. उसके बाद, मतलब आकार और चित्रा 2 बी में दिखाया पूर्व निर्धारित सामान्य वितरण समारोह में विषमता के लिए प्राप्त मूल्यों डालें।
    7. उसके बाद, चित्रा 2 बी में दिखाया पूर्व निर्धारित सामान्य वितरण समारोह में, मतलब आकार, डी 0, और विषमता, σ के लिए प्राप्त मूल्यों डालें।
    8. 1 एनएम के रूप में अभिन्न के निचले सीमा निर्धारित करें। रमन स्पेक्ट्रम में किसी भी बदलाव के 12 (सी-एनसीएस के लिए 20 एनएम) का प्रदर्शन नहीं करता है कि किसी भी आकार के एकीकरण की ऊपरी सीमा निर्धारित करें।
    9. चित्रा 2 बी में वितरण समारोह एकीकृत डी बनाम प्लॉट Φ (डी) आकार के वितरण देने के लिए। वैकल्पिक रूप से, आकार है, जो डी डी बनाम (उदाहरण के लिए, 1-20 1 एनएम की एक वेतन वृद्धि के साथ सी-एनसीएस के लिए एनएम) और साजिश Φ (डी), में से प्रत्येक के मूल्य के लिए Φ (डी) मूल्यों का एक सेट मिल वितरण।
    10. एक मल्टी मॉडल आकार के वितरण मौजूद है, तो पहले चोटियों अन्य आकार वितरण के लिए फिट होने की परिभाषित करते हैं। फिर, पहले (आकार के वितरण के लिए दृढ़ संकल्प की प्रक्रिया के साथ) माप डेटा की deconvolution के बाद प्राप्त प्रत्येक चोटियों के क्षेत्रों को खोजने और उसके बाद के लिए सम्मान के साथ प्रत्येक चोटी के क्षेत्रीय अनुपात की गणना के द्वारा एक-दूसरे के लिए सम्मान के साथ अलग अलग आकार वितरण की उनकी मात्रा भिन्न अनुमान कुल रमन शिखर।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

एक आकार विश्लेषण उपकरण के रूप में रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग के लिए, एक मॉडल। जरूरत है एक मापा रमन स्पेक्ट्रम से आकार से संबंधित जानकारी निकालने के 2 विश्लेषणात्मक बहु-कण phonon कारावास मॉडल का सार आंकड़ा। 12 सभी आकार पर निर्भर phonon कारावास समारोह (चित्रा 2 सी) एक lognormal वितरण समारोह के रूप में चुना जाता है, जो एक सामान्य आकार के वितरण समारोह (चित्रा 2 ख), पर पेश किया है। आधा अधिकतम (चित्रा 2 ई), और आवृत्ति पारी (चित्रा 2 एफ) मूल्य पर आयाम (चित्रा 2 डी), पूरी चौड़ाई को देखते हुए, इस मॉडल को सफलतापूर्वक आकार के वितरण का निर्धारण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

चित्रा 3 बहु-भाग का उपयोग परिकल्पना की गई हैicle phonon कारावास मॉडल सी-एनसीएस के आकार के वितरण (विवरण का पालन करेंगे) निर्धारित करने के लिए। मंदिर छवि में दिखाया गया है इस विश्लेषण में इस्तेमाल सी- एनसीएस छोटी और बड़ी सी एनसीएस के एक bimodal आकार वितरण किया है। 13 (यहाँ दिखाया गया है) मंदिर आकार विश्लेषण, छोटी सी एनसीएस रेंज 2- में एक वितरण के अनुसार 10 एनएम, और बड़ी सी एनसीएस सीमा 40-120 एनएम में एक वितरण किया है। बाएं पैनल में रमन स्पेक्ट्रम के विश्लेषण के छोटे सी एनसीएस के आकार के वितरण रेंज 2-10 एनएम में वास्तव में कर रहे हैं कि पता चलता है। वितरण 4.2 एनएम का एक मतलब आकार के साथ lognormal है, और 0.27 की एक विषमता (आकार anisotropy कारक) के साथ।

चित्रा 4 प्लाज्मा बढ़ाया रासायनिक वाष्प जमाव (PECVD) प्रणाली में बहती अलग अग्रदूत का उपयोग कर संश्लेषित सी- एनसीएस की एक विस्तृत तुलनात्मक विश्लेषण का प्रतिनिधित्व करता है। के रूप में मापा रमन डेटा फिटिंग के लिए, हम सी-नेकां के मिश्रण में दो उप-वितरण के लिए किया था, यह जानकर कि दो फिटिंग कार्यों के लिए इस्तेमाल किया। सी के बाद से20 एनएम से बड़े आकार के लिए आकार पर निर्भर शिखर पारी प्रदर्शित नहीं करता है, एक थोक-तरह Lorentzian शिखर "बड़े सी के रूप में प्रतिनिधित्व इस मामले में सीमा 40-120 एनएम (में हैं जो बड़ी सी एनसीएस के लिए सौंपा जा सकता है -NCs "साजिश में)। छोटी सी एनसीएस के लिए, हम (साजिश में "छोटे सी एनसीएस" के रूप में प्रतिनिधित्व) फिटिंग समारोह के रूप में बहु-कण phonon कारावास मॉडल का इस्तेमाल किया। मतलब आकार, और आकार के वितरण की विषमता चित्रा 2 बी में प्रदर्शन के आकार के वितरण साजिश करने के लिए आवश्यक मानकों हैं जो इस फिट, से प्राप्त कर रहे हैं। यह सही भी समारोह में एक शिखर पारी किसी भी अधिक नहीं मनाया जाता है, जिसमें से आकार, यानी, सी-एनसीएस के लिए 20 एनएम अप करने के लिए एकीकृत किया जा सकता है। परिणाम हम सफलतापूर्वक मतलब आकार, विषमता, और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग सी- एनसीएस का पूरा आकार के वितरण (पैनल सी और डी) निर्धारित कर सकते हैं कि पता चलता है। इसके अलावा, छोटे सी एनसीएस और बड़ी सी एनसीएस की मात्रा अंश एकीकृत शिखर क्षेत्रों के अनुपात द्वारा निर्धारित किया जा सकता है।10 SCCS SiH 4 प्रवाह के मामले के लिए, छोटे सी-नेकां मात्रा अंश है, जबकि सी-एनसीएस 3 SCCS SiH 4 प्रवाह, छोटी सी एनसीएस की मात्रा अंश का प्रति सेकंड (स्टैंडर्ड क्यूबिक सेंटीमीटर) का उपयोग कर संश्लेषित के लिए, 80% थी 88%।

चित्रा 5 विभिन्न तकनीकों से सी-एनसीएस के निर्धारित औसत कण आकार की तुलना दर्शाता है। पहला, हमारे विश्लेषणात्मक-पीसीएम 12 (सितारे) पीसीएम के साथ बहुत अच्छा समझौते में है। 10 दूसरा, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से प्राप्त परिणामों के संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर) और photoluminescence स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल) से प्राप्त परिणामों के साथ अच्छे समझौते में हैं ( पी एल आकार के वितरण Delerue एट अल। 16) के मॉडल का उपयोग कर प्राप्त की है। इस सी-एनसीएस के आकार के विश्लेषण के लिए विश्लेषणात्मक-पीसीएम के साथ रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग की विश्वसनीयता साबित होता है। इसके अलावा, हम भी अर्धचालक nanocrystals के आकार के विश्लेषण के लिए प्रयोग किया जाता है जो बीपीएम, 11 प्रदर्शित करता है।चित्रा 5 पीसीएम उसके आकार पर निर्भर करता है बीपीएम की तुलना में बेहतर बदलाव रमन से एक सी-नेकां के आकार की भविष्यवाणी की है कि यह भी निष्कर्ष निकाला है।

चित्र 1
चित्रा 1। नैनोकणों का प्रतिनिधित्व और रमन स्पेक्ट्रोमीटर। एक) सी-एनसीएस एक PECVD उपकरण का उपयोग plexiglass substrates पर एक की गिरफ्तारी / SiH 4 गैस के मिश्रण में जमा किया। सी-एनसीएस एक पाउडर के रूप में कर रहे हैं। सब्सट्रेट पर स्वर मतभेद संश्लेषण 13 के दौरान विभिन्न प्लाज्मा क्षेत्रों के लिए सामने आ रहे हैं जो morphologies और सी-नेकां पाउडर की मोटाई में मतभेद की वजह से कर रहे हैं। सी-एनसीएस के जमा morphologies रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी मापन के लिए तैयार कर रहे हैं। सब्सट्रेट के कम पक्ष में 2 सेमी है। ख) संदर्भ नमूना, यानी, क्रिस्टलीय सी वेफर, थोक सी के रमन चरम स्थिति का निरीक्षण करने के क्रम में माप। इस informatioउनके थोक चरम स्थिति से सी-एनसीएस के रिश्तेदार पारी जब निर्धारण n एक संदर्भ बिंदु के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा। आकार दृढ़ संकल्प अध्ययन करता है। घ) के लिए डेटा प्रदर्शन और रिकॉर्डिंग के लिए सॉफ्टवेयर के स्क्रीनशॉट के लिए इस्तेमाल रमन स्पेक्ट्रोमीटर के ग) छवि विश्लेषण किया जा सकता है।

चित्र 2
चित्रा 2। सी- एनसीएस आकार के वितरण। बी के साथ सी-एनसीएस की। एक) रमन तीव्रता) एक- की सी-नेकां आकार के वितरण। ग) विश्लेषणात्मक प्रतिनिधित्व निर्धारित करने के लिए सामान्य आकार के वितरण समारोह के आकार के वितरण के विश्लेषण में इस्तेमाल सूत्र एक आकार डी। डी) आयाम, ई) पूरी चौड़ाई आधा अधिकतम के साथ, और एक सी-नेकां के लिए कण पीसीएम च) जो स्पष्ट रूप से एक आकार डी, के साथ एक सी-नेकां के कंपन आवृत्ति अभ्यावेदनग) में दिखाई देते हैं।

चित्र तीन
चित्रा 3। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण से आकार के वितरण nanocrystal करने के लिए। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से के रूप में मापा डेटा बहु-कण विश्लेषणात्मक-पीसीएम का उपयोग कर nanocrystals के एक मात्रात्मक आकार के वितरण के लिए परिवर्तित किया जा सकता है।

चित्रा 4
चित्रा 4। आकार और सी-एनसीएस की मात्रा अंश विश्लेषण। सी-एनसीएस के रमन स्पेक्ट्रम एक PECVD एक का उपयोग कर उपकरण) 3 SCCS और में संश्लेषित ख) क्रमश SiH 4 (silane) गैस के प्रवाह के 10 SCCS। एक) और ख) छोटे और बड़े सी- एनसीएस के लिए deconvolution के मार्ग को दर्शाता है। Deconvolution थोक-जैसे बड़े सी- एनसीएस और बहु-कण विश्लेषणात्मक-P के लिए एक Lorentzian चोटी का उपयोग किया जाता है,छोटी सी एनसीएस के लिए मुख्यमंत्री। क्रमश: 3) और 10 SCCS SiH 4 सी में प्रदर्शन कर रहे हैं प्रवाह) और डी के लिए आकार वितरण और छोटे सी एनसीएस की मात्रा भिन्न इसी। छोटी सी एनसीएस के औसत आकार के पैनल ग के लिए 0.26 की विषमता के साथ 4.2 एनएम) और पैनल विकास के लिए 0.30 की विषमता के साथ 3.7 एनएम) है। मात्रा भिन्न क्रमश:) 80% और पैनल ग) और डी के लिए 88% के रूप में होने का अनुमान है।

चित्रा 5
विभिन्न तकनीकों से सी-एनसीएस के आकार के वितरण की चित्रा 5। तुलना करें। सी-एनसीएस रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग विभिन्न तकनीकों (मंदिर और पीएल 16) और आकार विश्लेषण का उपयोग करने का आकार विश्लेषण उत्कृष्ट समझौते में हुई। परिणाम भी पीसीएम बीपीएम के लिए सम्मान के साथ एक और अधिक सटीक आकार दृढ़ संकल्प की ओर जाता है कि प्रदर्शित करता है। यह आंकड़ा हो गया हैएन रेफरी से संशोधित किया। अमेरिकी भौतिकी संस्थान की अनुमति से 12।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

सबसे पहले चर्चा बिंदु प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम है। ब्याज की सामग्री के साथ अतिव्यापी चोटियों नहीं क्रम में, यह 1.2 चरण में उल्लेख किया है सब्सट्रेट सामग्री का एक और प्रकार का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण है। सी-एनसीएस ब्याज की हैं, तो उदाहरण के लिए, रमन माप के लिए सिलिकॉन सब्सट्रेट का उपयोग नहीं करते। चित्रा 1 में, उदाहरण के लिए, सी-एनसीएस मोटे तौर पर ब्याज की सीमा के आसपास पूरी तरह से फ्लैट संकेत है जो plexiglass substrates, यानी, 480-530 सेमी पर संश्लेषित थे - 1। यह भी स्थानांतरित किया जा सकता है, क्योंकि 1.4 चरण में उल्लेख किया है nanocrystal संबंधी शिखर की पारी अनुमान लगाने के लिए एक थोक संदर्भ संकेत को मापने के अलावा, यह ऑपरेटिंग पर निर्भर करता है, यह भी थोक माल की चोटी की सही स्थिति का पता लगाने के लिए महत्वपूर्ण है रमन स्पेक्ट्रोस्कोप की और पर्यावरण की स्थिति। सी-एनसीएस के मामले के लिए, संदर्भ नमूना टी जाना जाता है जो एक क्रिस्टलीय सिलिकॉन वेफर, है। 1 12 बहरहाल, इस परिवेश की स्थिति, और तीव्रता के साथ पसंद किया जाता है, जो ऑपरेटिंग लेजर, के तापमान के परिणाम के रूप में स्थानांतरित किया जा सकता है - ओ 521 सेमी पर अनुप्रस्थ ऑप्टिकल (TO) मोड है। इसलिए, यह माप से पहले एक संदर्भ डेटा हर बार रिकॉर्ड, और साहित्य से जाना जाता शिखर पदों के लिए सम्मान के साथ उन्हें दूर करने के लिए महत्वपूर्ण है। एक उच्च लेजर शक्ति nanocrystals को गर्मी, और रमन स्पेक्ट्रम में एक लेजर प्रेरित पारी में जो परिणाम उनके आकार बदल सकते हैं। इसलिए, यह 1.5 कदम पर निर्देशों का पालन सुरक्षित रूप से इस्तेमाल किया जा सकता है कि अधिक से अधिक लेजर शक्ति निर्धारित करने के लिए महत्वपूर्ण है। फिटिंग समारोह में कदम 3.4.3 में अनुमानित औसत आकार और विषमता डालने मापा रमन स्पेक्ट्रम के आकार को कवर नहीं कर सकते हैं, तो यह विश्लेषण सामग्री उप वितरण से बना है कि इसका मतलब है। फिर फिटिंग के लिए अतिरिक्त चोटियों को जोड़ने के लिए फिर से कदम 3.4.2 और 3.4.3 दोहराएँ। अभिन्न Boun के निर्धारणआकार के वितरण के लिए daries (कदम 3.4.7) एक अन्य महत्वपूर्ण बिंदु है। वितरण समारोह में अभिन्न की सीमाओं nanocrystal आकार के वितरण में सबसे छोटी और सबसे बड़े आकार का प्रतिनिधित्व करता है। 1 एनएम nanocrystal प्रणालियों के अधिकांश के लिए छोटी से छोटी स्थिर आकार है। आकार पर निर्भर पारी की राशि nanocrystal आकार की वृद्धि के साथ कम हो जाती है जैसा कि 17 में किसी भी बदलाव का प्रदर्शन नहीं करता है कि किसी भी आकार के एकीकरण की ऊपरी सीमा निर्धारित रमन स्पेक्ट्रम (कदम 3.4.8)। उदाहरण के लिए, सी-एनसीएस रमन स्पेक्ट्रम में किसी भी बदलाव का प्रदर्शन नहीं करता एनएम 20 से बड़े आकार के साथ, वे थोक की तरह व्यवहार जैसे लगते हैं। 10,12 इसलिए, सी-एनसीएस से अधिक से अधिक किसी भी आकार के साथ अभिन्न अंग की ऊपरी सीमा को स्थापित करने के लिए 20 एनएम परिणाम नहीं बदलेगा।

पीसीएम एक जटिल अभिव्यक्ति के माध्यम से nanocrystals के आकार पर निर्भर रमन चोटियों का वर्णन है। वास्तव में, पीसीएम phonon फैलाव, प्रसूति समारोह, और vib पर निर्भर करता हैसभी संकेत भी आकार, डी पर निर्भर करती है जो राशन आवृत्ति,। इसके अलावा, पीसीएम एक विशिष्ट आकार के लिए है, और आकार के वितरण का निर्धारण करने के लिए, यह एक सामान्य वितरण समारोह पर पेश किया जा सकता है और एक आकार सीमा से अधिक एकीकृत हो गया है। यह प्रक्रिया अब, experimentalists ज्यादातर के रूप में मापा रमन शिखर की पारी से सी-एनसीएस का औसत आकार निर्धारित करने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग कर रहे थे करने के लिए जटिल है और ऊपर है। दूसरी ओर, हम formulized है कि बहु-कण विश्लेषणात्मक-पीसीएम एक स्पष्ट पैरामीटर के रूप में आकार, डी, शामिल है और यह संभव औसत आकार, लेकिन यह भी पूरी तरह से वितरण न केवल निर्धारित करने के लिए है और यह एक सरल तरीके से आकार बनाता है रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग।

पहले से ही देखा, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी सी के लिए लगभग 20 एनएम है जो कारावास सीमा के भीतर nanocrystals के आकार के वितरण का निर्धारण करने में सक्षम है। वे एक आकार- प्रदर्शन नहीं करते के रूप में बड़े आकार के लिए उनके आकार के वितरण के लिए विश्लेषण नहीं किया जा सकतारमन स्पेक्ट्रम, अर्थात् में निर्भर सुविधा, वे इसी तरह के चोटी के आकार और थोक क्रिस्टलीय सी के रूप में की स्थिति है। इस सीमा रमन स्पेक्ट्रम में आकार पर निर्भर शिखर पारी दर्शाती है कि nanocrystal प्रणाली के किसी भी प्रकार के लिए रखती है। हालांकि, कारावास की सीमा nanocrystal सिस्टम के आधार पर अलग-अलग हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, जीई एनसीएस के लिए कारावास की सीमा के बारे में 15 एनएम है। 18

Nanocrystals के आकार विश्लेषण के दौरान एक चिंता का विषय है क्योंकि रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग गलत आकार व्याख्याओं में परिणाम सकता है जो माध्यमिक कारणों की nanocrystals के रमन चोटियों का बदलाव है। इन माध्यमिक कारणों संरचनात्मक संशोधन रमन माप के दौरान अत्यधिक लेजर शक्ति के तहत nanocrystals के (अनाज विकास या आकृति परिवर्तन), और nanocrystals (यदि हो तो) एम्बेडेड रहे हैं, जिसमें मैट्रिक्स, से प्रेरित तनाव में हैं। अत्यधिक लेजर हीटिंग से बचने के लिए, यह संभव लेजर शक्ति के साथ माप शुरू करने और इसे बढ़ाने की सलाह दी हैधीरे-धीरे एक स्पष्ट संकेत स्थापित करने के लिए। जब तक चोटी के आकार और स्थिति का इस्तेमाल लेजर शक्ति के स्थिर स्वतंत्र रहता है, के रूप में यह प्रयोग किया जाता लेजर शक्ति सुरक्षित सीमा में है कि माना जा सकता है। 13 इसके अलावा, सीमा, जो परे रमन चोटियों में से एक हीटिंग संबंधित विस्तार है मनाया Fano के विस्तार के रूप में साहित्य में परिभाषित किया गया है। 12,19 के रूप में लंबे समय Fano को विस्तृत बनाने के अंत तक पहुँच नहीं है, नैनोकणों हीटिंग संबंधी संशोधनों के अधीन नहीं हैं। तनाव संबंधी शिखर पारी मौजूद है, तो यह अपरिहार्य है, और आकार पर निर्भर शिखर पारी निर्धारित करने से पहले के लिए जिम्मेदार हो गया है। तनाव की मात्रा विवर्तन चरम स्थिति में बदलाव के तनाव का एक उपाय है, जहां एक्स-रे विवर्तन (XRD), का उपयोग निर्धारित किया जा सकता है। अनुमान के अनुसार तनाव तब। तनाव निर्भर शिखर पारी अवधि के लिए एक अतिरिक्त के साथ रमन स्पेक्ट्रम में जिम्मेदार हो सकता है कोई तनाव एक्सआरडी से मनाया जाता है, 18 आकार के वितरण के प्रत्यक्ष विश्लेषण किया जा सकता हैके रूप में मापा रमन स्पेक्ट्रम से। सभी नैनोकणों स्थिर संरचना है के बाद से पहले से मनाया के रूप में, 14 स्फटिकता अच्छी तरह से स्थापित है, और गरीब क्रिस्टलीय संरचना के साथ संबंधित चिंताओं रमन विश्लेषण के लिए की संभावना से इनकार कर रहे हैं।

बहु-कण विश्लेषणात्मक-पीसीएम एक वितरण समारोह और इस्तेमाल कारावास समारोह के मामले में लचीला है चित्रा 2 में प्रदर्शन किया। उदाहरण के लिए, सामान्य वितरण समारोह के किसी भी प्रकार, lognormal वितरण समारोह के साथ बदला जा सकता है phonon कारावास समारोह को प्रभावित किए बिना, यह सामान्य एक lognormal, या एक रसद समारोह हो सकता है अर्थात्। इसके अलावा, विश्लेषणात्मक-पीसीएम 2 ग प्रयोग की जाने वाली सामग्री के प्रकार पर निर्भर करता है फिर से परिभाषित किया जा सकता चित्रा में प्रदर्शन किया। (आकार पर निर्भर रमन चोटी पारियों है कि प्रदर्शन के कुछ nanocrystal सिस्टम इतना है कि उनके आकार वितरण कर सकते हैंयह भी जीई एनसीएस, 20 हिमपात 2 -NCs, 21 2 Tio -NCs, 22 और हीरे-NCS) रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी कर रहे हैं का उपयोग निर्धारित किया। 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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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, İ, 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, 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).
  15. 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).
  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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 102 Nanocrystal आकार वितरण रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी phonon कारावास आकार पर निर्भर गुण सिलिकॉन
एक मल्टी-कण फ़ोनॉन बन्दिश मॉडल के साथ रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग Nanocrystal आकार के वितरण की विशेषता
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Doğan, İ., van de Sanden, M. C. … More

Doğan, İ., van de Sanden, M. C. M. Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model. J. Vis. Exp. (102), e53026, doi:10.3791/53026 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter