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Engineering

Caracterización de Nanocristal distribución por tamaño utilizando espectroscopia Raman con un multi-partícula Phonon Confinamiento Modelo

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

Demostramos cómo determinar la distribución del tamaño de los nanocristales semiconductores de manera cuantitativa mediante espectroscopia Raman que emplea un modelo de confinamiento de fonones de múltiples partículas analíticamente definido. Los resultados obtenidos están en excelente acuerdo con las otras técnicas de análisis de tamaño como microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia de fotoluminiscencia.

Abstract

Análisis de la distribución del tamaño de los nanocristales es un requisito crítico para el procesamiento y la optimización de sus propiedades dependientes del tamaño. Las técnicas comunes que se utilizan para el análisis del tamaño son microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (XRD) y espectroscopia de fotoluminiscencia (PL). Estas técnicas, sin embargo, no son adecuados para el análisis de la distribución del tamaño de los nanocristales de una forma rápida, no destructiva y de manera fiable al mismo tiempo. Nuestro objetivo en este trabajo es demostrar que la distribución del tamaño de los nanocristales semiconductores que están sujetos a los efectos de confinamiento de fonones dependientes del tamaño, se puede estimar cuantitativamente de manera no destructiva, rápida y confiable utilizando espectroscopia Raman. Por otra parte, la distribución de distintos tamaños se pueden separado probaron, y sus respectivas relaciones volumétricas pueden estimarse utilizando esta técnica. Con el fin de analizar la distribución de tamaño, hemos formulized una expresión analítica de PCM de una sola partícula y projected que en una función de distribución genérica que representará a la distribución del tamaño de nanocristales analizada. Como modelo de experimento, hemos analizado la distribución del tamaño de los nanocristales de silicio exentas (Si-CN) con distribuciones de tamaño multimodales. Las distribuciones de talla estimadas están en excelente acuerdo con TEM y PL resultados, revelando la fiabilidad de nuestro modelo.

Introduction

Nanocristales semiconductores llaman la atención como sus propiedades electrónicas y ópticas se pueden sintonizar, simplemente cambiando su tamaño en el rango en comparación con sus respectivos radios excitón-Bohr. 1 Estas características dependientes del tamaño únicas hacen estos nanocristales relevante para diversas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, los efectos de multiplicación portador, observaron cuando un fotón de alta energía es absorbida por los nanocristales de CdSe, Si, y Ge, puede ser utilizado en el concepto de conversión espectro en aplicaciones de células solares; 2 - emisión óptica 4 o dependiente del tamaño de PBS-CN y Si-CN se pueden utilizar en la emisión de luz de diodo aplicaciones (LED). 5,6 El conocimiento y un control preciso de la distribución del tamaño de nanocristales, por tanto, tendrá un papel determinante en la fiabilidad y el rendimiento de estas aplicaciones tecnológicas basadas en nanocristales.

Las técnicas de uso común para el tamaño dISTRIBUCIÓN y morfología análisis de nanocristales puede ser catalogado como difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectroscopia de fotoluminiscencia (PL), y espectroscopia Raman. XRD es una técnica cristalográfica que revela información morfológica del material analizado. Desde la ampliación del pico de difracción, estimación del tamaño nanocristales es posible, 7 Sin embargo, la obtención de una información clara es generalmente lento. Por otra parte, XRD sólo puede permitir el cálculo de la media de la distribución del tamaño de nanocristales. En la existencia de distribuciones de tamaño multimodales, análisis de tamaño con DRX puede ser engañosa y dar lugar a interpretaciones erróneas. TEM es una poderosa técnica que permite obtener imágenes de los nanocristales. 8 Aunque TEM es capaz de revelar la presencia de distribuciones individuales en una distribución de tamaño multimodal, tema de preparación de muestras es siempre un esfuerzo para ser gastado antes de las mediciones. Además, trabaja en nano densamente pobladoconjuntos de cristal de diferentes tamaños es un reto debido a la dificultad de las imágenes nanocristales individual. Espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) es una técnica de análisis óptico, y nanocristales ópticamente activos puede ser diagnosticada. Distribución de tamaño de Nanocristal se obtiene de la dependiente del tamaño de emisiones. 9 Debido a sus propiedades ópticas pobres de las nanopartículas indirectos Gap Band, grandes nanocristales que no están sujetos al confinamiento efectos, y el defecto rica en pequeñas nanocristales no puede ser detectado por PL y el tamaño observada la distribución se limita solamente a los nanocristales con buenas propiedades ópticas. Aunque cada una de estas técnicas antes mencionadas tiene sus propias ventajas, ninguno de ellos tiene la capacidad de satisfacer las expectativas (es decir, ser rápido, no destructivo, y confiable) técnica de análisis de tamaño de e idealizada.

Otro medio de análisis de distribución de tamaño de los nanocristales es la espectroscopia Raman. Espectroscopia Raman es ampliamente disponiblesen la mayoría de los laboratorios, y es una técnica rápida y no destructiva. Además, en la mayoría de los casos, no se requiere preparación de la muestra. Espectroscopia Raman es una técnica de vibración, que se puede utilizar para obtener información sobre los diferentes morfologías (cristalina o amorfa), y la información relacionada con el tamaño (a partir del desplazamiento dependiente del tamaño en los modos fonón que aparecen en el espectro de frecuencia) del material analizado . 10 La característica única de la espectroscopia Raman es que, mientras que los cambios dependientes del tamaño se observan como un cambio en el espectro de frecuencia, la forma del pico de fonones (ampliación, la asimetría) da información sobre la forma de la distribución del tamaño de los nanocristales. Por lo tanto, en principio es posible extraer la información necesaria, es decir, el tamaño medio y el factor de forma, a partir de espectro Raman para obtener la distribución del tamaño de los nanocristales analizados. En el caso de distribuciones de tamaño multimodales sub-distribuciones también se pueden identificar por separado a través deconvolución del espectro experimental Raman.

En la literatura, dos teorías se denominan comúnmente para modelar el efecto de la distribución del tamaño de los nanocristales en la forma del espectro de Raman. El modelo polarizabilidad de bonos (BPM) 11 describe la polarizabilidad de un nanocristales de las contribuciones de todos los bonos dentro de ese tamaño. El modelo de confinamiento de fonones de una sola partícula (PCM) 10 utiliza variables físicas dependientes del tamaño, es decir, el impulso de cristal, la frecuencia y la dispersión de fonones, y el grado de confinamiento, para definir el espectro Raman de un nanocristal con un tamaño específico. Dado que estas variables físicas dependen del tamaño, una representación analítica de la PCM que se pueden formulized explícitamente como una función del tamaño nanocristal puede ser definido. Proyección de esta expresión en una función de distribución de tamaño genérica será por lo tanto capaz de tener en cuenta el efecto de la distribución de tamaño dentro de la PCM, que se puede utilizar para determinar la nanocrdistribución de tamaño ystal del espectro experimental Raman. 12

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Protocol

1. Planificación de los experimentos

  1. Sintetizar u obtener los nanocristales de interés 13 (Figura 1a).
  2. Evite cualquier confusión con la señal de fondo, asegurándose de que el material de sustrato no tiene la superposición de picos en el espectro Raman de los nanocristales (Figura 1a).
  3. Encienda el láser de la configuración de la espectroscopia Raman. Esperar el tiempo suficiente (aproximadamente 15 min) para la intensidad del láser se estabilice.
  4. Medida una referencia mayor del nanomaterial a analizar 12 (Figura 1b), siguiendo los pasos de medición descritos en el Paso 2. En la posición máxima del material a granel, estimar el cambio relativo 12.
  5. Estimar la potencia del láser necesaria para mediciones Raman utilizando diferentes poderes sobre los nanocristales que van a medir. Iniciar una medición con la menor potencia posible conseguir señal suficiente (la relación entre la intensidad del pico a laruido de fondo debería ser al menos 50), y aumentar la potencia del láser si es necesario, siempre y cuando la posición y la forma del pico Raman nanocristal permanece misma 12,13.

2. Espectroscopía Raman de nanocristal de interés

  1. Cargar la muestra con el polvo de nanocristal depositada sobre el sustrato en la cámara de medición.
    Nota: Las dimensiones del sustrato no son críticas (puede ser de milímetros a decenas de centímetros), siempre y cuando se ajuste a la etapa de soporte de la muestra. El polvo o el espesor de película fina debería ser al menos decenas de nanómetros tengan señal detectable de Raman espectroscopio. Para la etapa de soporte de sustrato plano, simplemente tomar el sustrato bajo la óptica (Figura 1b).
    1. Asegúrese de que el "láser" y las luces "activos" están apagados antes de abrir la puerta con el fin de estar a salvo de la iluminación no deseada del láser operativo. Si estas luces no están apagados, realice las acciones en los pasos 20.5 y 2.6. El signo "enclavamiento" siempre permanece encendida.
    2. Presione "Liberación de la tapa" y abre la puerta de la cámara de medición, y puso la muestra en la etapa de soporte de la muestra (Figura 1b).
  2. Ajuste el enfoque de la muestra a medir para obtener la mayor señal posible.
    1. Seleccione objetivo 50X y se centran en la superficie del polvo nanocristal (Figura 1b).
    2. Traiga la muestra bajo el enfoque utilizando la dirección z manipulador del portamuestras. Compruebe la claridad de la imagen enfocada desde el punto de vista de la cámara en directo en la pantalla de un ordenador.
    3. Cierre la puerta de la cámara de medición.
    4. Retire el obturador haciendo clic en el botón "disparador de salida" del software de Renishaw, y dejar que el brillo de la luz láser en la muestra a medir. Observe que el "láser" y señales "activas" ahora parpadea verde y parpadea rojo, respectivamente. En la imagen en directo desde los sCreen, el láser será visible (Figura 1c).
    5. A partir de la imagen en vivo, ajustar la concentración de la muestra utilizando el manipulador de la rueda hasta que el punto láser más pequeño, que es el mejor enfoque, se observa en la imagen en vivo.
  3. Configure una medición del software de análisis de Renishaw como se describe a continuación (Figura 1d).
    1. De "medición" seleccionar la nueva opción de adquisición espectral.
    2. En la ventana emergente, establecer el rango de medición de 150 a 700 cm - 1, establecer el tiempo de la medición como 30 segundos, el número total de adquisición como 2x, y el porcentaje de la potencia del láser como 0,5% (de un 25 mW láser) para ser utilizado durante la medición. Acepte los parámetros insertados, y la ventana se cerrará.
    3. Inicie la medición haciendo clic en el botón de inicio de adquisición en la barra de menú. Durante la medición de la las luces "activas" "láser" y permaneceránen.
  4. No abra la cámara de medición cuando estas luces están encendidas como el láser está en funcionamiento y se realiza la medición.
  5. Una vez finalizada la medición, puesto que el obturador en haciendo clic en el "disparador en el" botón del software Renishaw. Observe que las luces del "láser" y el "Activo" se apagan. Presione "Liberación de la tapa" y abra la puerta de la cámara de medición.
  6. Antes de tomar la muestra a cabo, bajar la platina soporte de la muestra con el z-manipulador hasta que haya una distancia de seguridad entre la muestra medida y la superficie de la lente de aumento para eliminar la muestra. Luego, se coloca la muestra de nuevo a su contenedor.
  7. Apague el láser.
  8. Guarde los datos en formato de software Renishaw, ".wxd", y en el formato de archivo de texto ".txt". Este último se utilizará para el análisis de los datos experimentales.

3. Tamaño DistributDeterminación de ion nanocristal de interés

  1. Abrir los archivos de texto de las mediciones para la medición de nanocristales, y la referencia a granel.
  2. Antes de trazar los datos, suavizar ellos utilizando spline cúbico, y normalizar los datos a 1 en su más alto posiciones de los picos con el fin de tener una buena comparación de los cambios de pico relativas.
  3. Trazar los datos de nanocristales de silicio y silicio de referencia, determinar la posición del pico de silicio de referencia y calcular la cantidad del cambio, en su caso, desde la posición del pico real de 521 cm-1. 12 A continuación, guarde los datos de nanocristales de silicio procesadas como .txt archivo.
  4. Iniciar el procedimiento de ajuste.
    1. Para el procedimiento de ajuste, escriba la función de ajuste se muestra en la Figura 2f en un programa de análisis, tales como Mathematica.
    2. Importe los datos normalizados y corregidos como la entrada para el modelo de ajuste no lineal utilizando el comando "Importar".
    3. Asegúrese de que el intervalopara la asimetría está entre 0,1 y 1,0, y el intervalo de tamaño medio es de entre 2 nm y 20 nm.
    4. Si es necesario, inserte pico adicional (s) bajo el pico medido usando la función de ajuste y repita los pasos 3.4.2 y 3.4.3 para adaptarse a otras subsecciones de distribución (s).
    5. Pulse la tecla "Shift + Enter" para llevar a cabo el procedimiento de ajuste.
    6. Después de eso, insertar los valores obtenidos para el tamaño medio y la asimetría en la función de distribución genérica predefinida se muestra en la Figura 2b.
    7. Después de eso, insertar los valores obtenidos para el tamaño medio, D 0, y la asimetría, σ, en la función de distribución genérica predefinida muestra en la Figura 2b.
    8. Ajuste el límite inferior de la de la integral como 1 nm. Ajuste el límite superior de la integración a cualquier tamaño que no presenta ningún cambio en el espectro de Raman (20 nm de Si-NCS) 12.
    9. Integrar la función de distribución de la Figura 2b Φ (D) vs. D para dar la distribución de tamaños. Alternativamente, encontrar un conjunto de valores de phi (D) para cada valor de D (por ejemplo, de 1 a 20 nm de Si-CN con un incremento de 1 nm) y la trama Φ (D) vs. D, que es el tamaño distribución.
    10. Si existe una distribución de tamaño multimodal, primero definir los picos que se instalen para otras distribuciones de tamaño. Luego, estimar sus fracciones de volumen de diferentes distribuciones de tamaño con respecto a la otra mediante la búsqueda primero las áreas de cada picos obtenidos después de la deconvolución de los datos de medición (con el procedimiento de determinación de la distribución del tamaño) y luego calculando la relación de área de cada pico con respecto a el total del pico Raman.

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Representative Results

Para el uso de la espectroscopia Raman como una herramienta de análisis de tamaño, un modelo para extraer la información relacionada con el tamaño de un espectro Raman medido que se necesita. La figura 2 resume el modelo de confinamiento de fonones multi-partícula analítica. Función de confinamiento de fonones 12 All-dependiente del tamaño (Figura 2 c) se proyecta sobre una función de distribución de tamaño genérico (Figura 2 b), que se elige como una función de distribución lognormal. Dada la amplitud (Figura 2 d), anchura total a la mitad del máximo (Figura 2 e), y el desplazamiento de frecuencia (Figura 2 f) valor, este modelo puede utilizarse con éxito para determinar la distribución del tamaño.

Figura 3 prevé el uso de varias partesArticulo modelo de confinamiento de fonones para determinar la distribución del tamaño de Si-CN (detalles seguirán). Si-CN utilizado en este análisis tiene una distribución de tamaño bimodal de pequeños y grandes Si-CN como se muestra en la imagen TEM. 13 De acuerdo con el análisis del tamaño TEM (no mostrado aquí), pequeñas Si-CN tienen una distribución en el intervalo 2- 10 nm, y grandes Si-CN tienen una distribución en el intervalo de 40-120 nm. El análisis del espectro Raman en el panel de la izquierda revela que la distribución del tamaño de los pequeños Si-CN son de hecho entre el 2-10 nm. La distribución es lognormal con un tamaño medio de 4,2 nm, y con una asimetría (factor de anisotropía forma) de 0,27.

La Figura 4 representa un análisis comparativo detallado de Si-CN sintetizado utilizando diferentes flujos de precursor en el sistema de plasma mejorado deposición de vapor químico (PECVD). Para ajuste de los datos Raman medido como-se utilizó dos funciones de ajuste sabiendo que teníamos dos sub-distribuciones en la mezcla de Si-NC. Si Desdeno demuestra el tamaño dependiente de pico de cambio para los tamaños más grandes de 20 nm, un pico de Lorentz-granel como se puede asignar para grandes Si-CN, que están en el rango de 40 a 120 nm, en este caso (representado como "Large Si -NCS "en la trama). Para los pequeños Si-CN, se utilizó el modelo de confinamiento de fonones multi-partícula como la función de ajuste (representado como "Pequeña Si-CN" en la trama). El tamaño medio, y la asimetría de la distribución de tamaños se obtienen de esta forma, que son los parámetros necesarios para trazar la distribución del tamaño demostrado en la Figura 2b. Esta función de ajuste se puede integrar hasta el tamaño de la cual un pico de desplazamiento no se observa más, es decir, 20 nm de Si-CN. Los resultados muestran que podemos determinar con éxito el tamaño medio, asimetría, y la distribución completa tamaño de Si-CN (panel c y d) el uso de la espectroscopia Raman. Por otra parte, la fracción de volumen de la pequeña Si-CN y grandes Si-CN se puede determinar por la relación de áreas de los picos integrados.Por Si-CN sintetizó usando 3 sccs (centímetros cúbicos estándar por segundo) de SiH 4 de flujo, la fracción de volumen de la pequeña Si-CN fue del 80%, mientras que para el caso de 10 sccs SiH 4 de flujo, una pequeña fracción de volumen de Si-NC es 88%.

La Figura 5 demuestra la comparación del tamaño de partícula promedio medido de Si-CN a partir de diversas técnicas. En primer lugar, nuestra analítica-PCM 12 (estrellas) se encuentra en muy buen acuerdo con el PCM. 10 En segundo lugar, los resultados obtenidos de la espectroscopia Raman están en buen acuerdo con los resultados obtenidos de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) ( se obtiene la distribución del tamaño PL utilizando el modelo de Delerue et al. 16). Esto prueba la fiabilidad de la utilización de la espectroscopia Raman con el analítico-PCM para el análisis de tamaño de Si-CN. Además, también demuestran el valor de BPM, 11 que también se utiliza para el análisis de tamaño de los nanocristales semiconductores.Figura 5 concluye también que el PCM predice el tamaño de un Si-NC de su tamaño dependiente de desplazamiento Raman mejor que el BPM hace.

Figura 1
Figura 1. Representación de las nanopartículas y el espectrómetro Raman. A) Si-CN depositado en una mezcla de 4 gas Ar / SiH sobre sustratos de plexiglás con una herramienta de PECVD. Si-CN son en forma de un polvo. Las diferencias de tono en el sustrato se deben a las diferencias en las morfologías y espesores de polvo de Si-NC, que están expuestos a diferentes regiones de plasma durante la síntesis 13. Como morfologías depositados de Si-CN están listos para mediciones de espectroscopia Raman. El lado corto del sustrato es de 2 cm. B) muestra de referencia, es decir, cristalina oblea de Si, la medición con el fin de observar la posición del pico Raman de mayor Si. Esta información será utilizado como punto de referencia para determinar el cambio relativo de Si-CN de su posición de pico a granel. c) Imagen de la espectrómetro Raman utilizado para estudios de determinación de tamaño. D) LA captura de pantalla del software para realizar y registrar los datos para analizar.

Figura 2
La Figura 2. Las fórmulas utilizadas en el análisis de la distribución de tamaño de Si-CN. A) la intensidad Raman de Si-CN con distribución de tamaño. B) La función de distribución de tamaño genérico para determinar Si-NC tamaño de distribución. C) la representación analítica de uno PCM de partícula para un Si-NC con un tamaño D. d) La amplitud, e) la plena medio de anchura máxima, y f) las representaciones frecuencia de vibración de un enlace Si-NC con un tamaño D, que explícitamenteaparecer en c).

Figura 3
Figura 3. A partir del análisis de espectroscopia Raman para nanocristales distribución de tamaño. Como-medido datos de espectroscopia de Raman se pueden convertir a una distribución de tamaño cuantitativa de nanocristales utilizando el multi-partícula analítico-PCM.

Figura 4
Figura 4. El tamaño y el volumen de análisis fracción de Si-CN. Espectro Raman de Si-CN sintetiza en una herramienta PECVD usando a) 3 sccs y b) 10 sccs de SiH 4 (silano) de flujo de gas, respectivamente. A) y b) demuestra la ruta de deconvolución para pequeños y grandes Si-CN. Deconvolución se hace usando un pico de Lorentz para-granel como gran Si-CN y multi-partícula analítico-PCM para pequeños Si-CN. Correspondiente distribuciones de tamaño y fracciones en volumen de pequeña Si-CN de 3 y 10 sccs SiH4 flujo se demuestra en c) yd), respectivamente. El tamaño medio de la pequeña Si-CN es 4,2 nm con una asimetría de 0,26 para el panel c) y 3.7 nm con una asimetría de 0,30 para el panel d). Las fracciones de volumen se calculan como 80% y 88% para el panel c) y d), respectivamente.

Figura 5
La Figura 5. Comparación de la distribución del tamaño de Si-CN a partir de diversas técnicas. Análisis del tamaño de Si-CN utilizando diversas técnicas (TEM y PL 16) y análisis de tamaño utilizando espectroscopia Raman resultó en excelente acuerdo. Los resultados también demuestran que el PCM conduce a una determinación del tamaño más precisa con respecto a la BPM. Esta figura tiene seren modificado de Ref. 12 con permiso del Instituto Americano de Física.

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Discussion

Punto de discusión El primero es los pasos críticos en el protocolo. A fin de no tener picos superpuestos con el material de interés, es importante utilizar otro tipo de material de sustrato como se ha mencionado en el paso 1.2. Por ejemplo, si Si-CN son de interés, no utilice sustrato de silicio para las mediciones Raman. En la Figura 1 a, por ejemplo, Si-CN se sintetizaron sobre sustratos de plexiglás, que tiene señal completamente plana más o menos alrededor del rango de interés, es decir, 480 a 530 cm - 1. Además de medir una señal de referencia mayor para estimar el desplazamiento del pico relacionada nanocristal-como se ha mencionado en el paso 1.4, también es crítico para localizar la posición exacta del pico del material a granel, ya que puede ser también desplazado en función de la operación y las condiciones ambientales de Raman espectroscopio. Para el caso de Si-CN, la muestra de referencia es una oblea de silicio cristalino, que se conoce to tener el modo transversal óptica (TO) en 521 cm -. 1 12 Sin embargo, esto puede ser desplazado como resultado de la temperatura del láser operativo, que se le gusta con las condiciones ambientales, y la intensidad. Por lo tanto, es importante registrar un dato de referencia cada vez antes de las mediciones, y corregirlos con respecto a las posiciones de los picos conocidos de la literatura. Una alta potencia de láser puede calentar los nanocristales, y cambiar sus tamaños, que resultan en un cambio inducido por láser en el espectro Raman. Por lo tanto, es crítico para determinar la potencia máxima de láser que puede ser utilizado de manera segura siguiendo las instrucciones en el paso 1.5. Si insertar el tamaño promedio estimado y la asimetría en el paso 3.4.3 en la función de ajuste no puede no cubrir la forma del espectro Raman medido, significa que el material analizado se compone de sub-distribuciones. A continuación, repita los pasos 3.4.2 y 3.4.3 de nuevo para agregar picos adicionales para la instalación. La determinación de la boun integraldaries (paso 3.4.7) para la distribución de tamaño es otro punto crítico. Los límites de la integral de la función de distribución representa los tamaños más pequeños y más grandes de la distribución del tamaño de nanocristales. 1 nm es el tamaño más pequeño estable para la mayoría de los sistemas de nanocristales. 17 Como la cantidad de tamaño dependiente de desplazamiento disminuye con un aumento del tamaño del nanocristal, establecer el límite superior de la integración a cualquier tamaño que no presenta ningún cambio en el espectro Raman (etapa 3.4.8). Por ejemplo, Si-CN con tamaños mayores de 20 nm no presenta ninguna cambio en el espectro Raman, se asemejan a granel comportamiento similares. 10,12 Por lo tanto, para el establecimiento de Si-NCs el límite superior de la integral con cualquier tamaño mayor que 20 nm no va a cambiar el resultado.

El PCM describe los picos Raman dependientes del tamaño de los nanocristales a través de una expresión complicada. De hecho, el PCM depende de la dispersión de fonones, la función de confinamiento, y el vibFrecuencia de racionamiento, que todo depende implícitamente en el tamaño, D. Además, el PCM es para un tamaño específico, y para determinar la distribución de tamaño, tiene que ser proyectada en una función de distribución genérico y conseguir integrada sobre un intervalo de tamaño. Este procedimiento es complicado y hasta ahora, los experimentadores estaban usando la espectroscopia Raman en su mayoría para determinar el tamaño promedio de Si-CN a partir del desplazamiento del pico Raman medido como. Por otro lado, la multi-partícula analítico-PCM que hemos formulized contiene el tamaño, D, como un parámetro explícito y hace que sea posible determinar no sólo el tamaño medio, sino también la distribución completa y se forma de una manera sencilla usando espectroscopía Raman.

Como ya se ha notado, la espectroscopia Raman es capaz de determinar la distribución del tamaño de los nanocristales dentro del límite de confinamiento, que es aproximadamente 20 nm para el Si. Los tamaños más grandes no pueden ser analizados por su distribución de tamaño, ya que no exhiben una tamaño-función que depende en el espectro Raman, es decir, tienen formas y posiciones como cristalino en masa de Si picos similares. Esta limitación es válido para cualquier tipo de sistema de nanocristales que exhibe dependiente del tamaño de pico de cambio en el espectro Raman. Sin embargo, el límite de confinamiento puede variar dependiendo del sistema de nanocristales. Por ejemplo, el límite de confinamiento por Ge-CN es de aproximadamente 15 nm. 18

Una preocupación durante el análisis del tamaño de nanocristales es el turno de los picos Raman de nanocristales, debido a las razones secundarias, que podrían dar lugar a interpretaciones erróneas de tamaño utilizando espectroscopia Raman. Estas razones son secundarias modificación estructural (crecimiento del grano o cambio de forma) de nanocristales en virtud de la potencia del láser excesiva durante la medición Raman, y las tensiones inducidas por la matriz, en la que están incrustados nanocristales (si existe). Con el fin de evitar el calentamiento excesivo de láser, se aconseja iniciar la medición con la potencia del láser más bajo posible y aumentarlapoco a poco establecer una clara señal. Mientras la forma del pico y la posición se mantiene estable independiente de la potencia del láser utilizado, se puede considerar que la potencia del láser usada está en el límite de seguridad. 13 Además, el límite más allá del cual, un sistema de calefacción relacionados con ensanchamiento de los picos Raman es observada se define en la literatura como la ampliación Fano. 12,19 Mientras no se alcance el límite de la ampliación de Fano, las nanopartículas no están sujetos a modificaciones de calentamiento relacionados. Si el pico de cambio relacionadas con el estrés está presente, es inevitable, y tiene que ser contabilizado antes de determinar el tamaño que dependen de pico de cambio. La cantidad de tensión se puede determinar utilizando difracción de rayos X (XRD), donde un cambio en la posición de pico de difracción es una medida de la tensión. El estrés estimado puede entonces tenerse en cuenta en el espectro Raman con una adición del término pico de desplazamiento de estrés-dependiente. 18 Si no se observa la tensión de XRD, análisis directo de la distribución del tamaño se puede realizara partir del espectro Raman medido como. Puesto que todas las nanopartículas tienen estructuras estables, como ya se observó, 14 la cristalinidad está bien establecido, y las preocupaciones relacionadas con las estructuras cristalinas pobres se descartó para el análisis Raman.

El multi-partícula analítico-PCM demuestra en la Figura 2 a es flexible en términos de la función de distribución y la función de confinamiento utilizado. Por ejemplo, cualquier tipo de función de distribución genérico puede ser sustituido con la función de distribución logarítmica normal, es decir, podría ser una lognormal, normal, o una función logística, sin afectar la función de confinamiento de fonones. Además, la analítica-PCM demuestra en la Figura 2 c se pueden volver a definirse en función del tipo del material a ser utilizado. Algunos sistemas de nanocristales que exhiben dependientes del tamaño Raman pico turnos (para que sus distribuciones de tamaño puedeTambién se determinaron utilizando espectroscopia Raman) se Ge-CN, 20 SnO2 -NCS, 21 TiO2 -NCS, 22 y diamantes-CN. 23

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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.

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References

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Ingeniería Número 102 Nanocristal distribución del tamaño la espectroscopia Raman el confinamiento de fonones propiedades dependientes del tamaño el silicio
Caracterización de Nanocristal distribución por tamaño utilizando espectroscopia Raman con un multi-partícula Phonon Confinamiento Modelo
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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).

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