Summary
Vi visar hur man bestämmer storleksfördelningen hos halvledarnanokristaller på ett kvantitativt sätt med hjälp av Ramanspektroskopi anställa en analytiskt definierad flerpartikel fonon förlossningen modell. Erhållna resultaten är i utmärkt överens med de andra storlek analystekniker som transmissionselektronmikroskopi och fotoluminiscens spektroskopi.
Abstract
Analys av storleksfördelningen av nanokristaller är ett viktigt krav för bearbetning och optimering av deras storlek beroende egenskaper. De gemensamma tekniker som används för analys av storleken är transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD) och fotoluminiscens-spektroskopi (PL). Dessa tekniker är emellertid inte lämpliga för att analysera nanokristallen storleksfördelning i en snabb, icke-förstörande och ett tillförlitligt sätt samtidigt. Vårt mål i detta arbete är att visa att storleksfördelning av halvledarnanokristaller som är föremål för storleksberoende fonon inneslutningseffekter kan kvantitativt uppskattas på ett icke-förstörande, snabb och tillförlitligt sätt med hjälp av Raman-spektroskopi. Dessutom kan blandade storleksfördelning separat sonde, och deras respektive volym förhållanden kan uppskattas med hjälp av denna teknik. För att analysera storleksfördelningen har vi formulized ett analytiskt uttryck av en-partikel PCM och projected den på en allmän fördelningsfunktion som kommer att representera storleksfördelning analyseras nanokristall. Som ett modellexperiment, har vi analyserat storleksfördelningen av fristående kiselnanokristaller (Si-NCS) med multimodala storleksfördel. Den uppskattade storleken distributioner är i utmärkt överensstämmelse med TEM och PL resultat, avslöjar tillförlitligheten i vår modell.
Introduction
Halvledarnanokristaller uppmärksamma deras elektroniska och optiska egenskaper kan ställas in genom att helt enkelt ändra deras storlek inom området jämfört med deras respektive exciton-Bohr radier. 1 Dessa unika storleksberoende funktioner gör dessa nanokristaller som är relevant för olika tekniska tillämpningar. Till exempel, bärare multiplikation effekter, observerades när en hög energi foton absorberas av nanokristallerna av CdSe, Si och Ge, kan användas i begreppet omvandlingsspektrum i solcellstillämpningar; två - 4 eller storleksberoende optiska emission från PbS-NCs och Si-NCs kan användas i ljusemitterande dioder (LED) applikationer. 5,6 En exakt kunskap och kontroll fördelningen nanokristallen storleks kommer därför att spela en avgörande roll på tillförlitlighet och prestanda hos dessa tekniska applikationer baserade på nanokristaller.
De vanligen använda teknikerna för storleken distribution och bildanalys av nanokristaller kan listas som röntgendiffraktion (XRD), transmissionselektronmikroskop (TEM), fotoluminescens spektroskopi (PL) och Ramanspektroskopi. XRD är en kristallo teknik som avslöjar morfologisk information om analysmaterialet. Från breddningen av diffraktionstoppen är uppskattning av den nanokristall storleken möjligt, 7 emellertid erhålla en klar data är vanligtvis tidskrävande. Dessutom XRD kan bara aktivera beräkningen av det genomsnittliga distributionsnanokristallen storlek. I förekomsten av multimodala storleksfördelning, kan storleksanalys med XRD vara vilseledande och leda till felaktiga tolkningar. TEM är en kraftfull teknik som möjliggör avbildning av nanokristaller. 8 Även TEM kan avslöja förekomsten av enskilda distributioner i en multimodal storleksfördelning, är provberedning fråga alltid ett försök att spenderas före mätningarna. Dessutom arbetar tätt packade nanokristall ensembler med olika storlekar är utmanande på grund av svårigheten att enskilda nanokristall avbildning. Fotoluminescens spektroskopi (PL) är en optisk analysteknik, och optiskt aktiva nanokristaller kan diagnostiseras. Nanokristall storleksfördelning erhålles från emission storleksberoende. 9 På grund av deras dåliga optiska egenskaper av indirekta bandgap nanopartiklar, stora nanokristaller som inte omfattas av förlossning effekter och defektrika små nanokristaller kan inte upptäckas av PL och den observerade storlek distributionen är begränsad till nanokristaller med goda optiska egenskaper. Även om var och en av dessa ovan nämnda tekniker har sina fördelar, ingen av dem har möjlighet att uppfylla de förväntningar (det vill säga att vara snabb, icke-förstörande och pålitlig) från och idealiserad storleksanalys teknik.
En annan medel för analys av nanokristaller storleksfördelningen är Ramanspektroskopi. Ramanspektroskopi är allmänt tillgängligi de flesta av labb, och det är en snabb och icke-förstörande teknik. Dessutom, i de flesta fall, provpreparation erfordras inte. Ramanspektroskopi är en vibrationsteknik, som kan användas för att få information om olika morfologier (kristallina eller amorfa), och storleksrelaterad information (från storleksberoende förskjutning i Phonon lägen som visas i frekvensspektrum) av det analyserade materialet . 10 Det unika med Ramanspektroskopi är att även om storleksberoende förändringar observeras som en förändring i frekvensspektrumet, formen på fonon toppen (bredda, asymmetri) ger information om formen distributionsnanokristallen storlek. Därför är det i princip möjligt att extrahera nödvändig information, det vill säga den genomsnittliga storleken och formen faktorn, från Raman-spektrum för att erhålla storleksfördelning nanokristaller analyserade. När det gäller multimodala storleksfördelunderfördelningar även kan identifieras separat via deconvoluning av den experimentella Raman-spektrum.
I litteraturen finns två teorier vanligtvis kallas för att modellera effekten av nanokristallen storleksfördelning på formen hos den Raman-spektrum. Obligations polariserbarhet modellen (BPM) 11 beskriver polariserbarheten av en nanokristall från bidragen från alla obligationer i den storleken. Den partiklar fonon förlossningen modell (PCM) 10 använder storleksberoende fysiska variabler, det vill säga, kristall fart, fonon frekvens och spridning, och graden av inneslutning, att definiera Raman-spektrum av en nanokristall med en viss storlek. Eftersom dessa fysiska variabler beroende på storlek, kan definieras en analytisk representation av PCM som kan explicit formulized som en funktion av nanokristall storlek. Projicera detta uttryck på en generisk storleksfördelning funktion kommer därför att kunna redogöra för effekten av storleksfördelningen inom PCM, som kan användas för att bestämma nanocrystal storleksfördelning från den experimentella Raman-spektrum. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Planering av experiment
- Syntetisera eller få nanokristaller av intresse 13 (Figur 1a).
- Undvik förväxling med bakgrundssignalen genom att se till att substratmaterialet inte har överlappande toppar i Raman-spektrat av nanokristaller (Figur 1a).
- Slå på lasern i Raman-spektroskopi setup. Vänta tillräckligt med tid (ca 15 min) för laserintensitet att stabiliseras.
- Mät en bulk hänvisning till nanomaterial som skall analyseras 12 (Figur 1b), efter mätning steg som beskrivs i steg 2. toppositionen av bulkmaterial, uppskatta den relativa skift 12.
- Uppskatta krävs lasereffekt för Raman mätningar med olika befogenheter på nanokristaller kommer att mätas. Starta en mätning med minsta möjliga kraft för att få signal nog (förhållandet mellan toppintensiteten tillbakgrundsljud bör vara minst 50), och öka lasereffekt om det behövs, så länge läget och formen på nanokristallen Raman topp förblir samma 12,13.
2. Ramanspektroskopi av nanokristallen of Interest
- Ladda provet med nanokristallen pulver avsatt på substratet in i mätkammaren.
Obs: Substrat dimensioner är inte kritiska (kan vara från millimeter till tiotals centimeter) så länge som den passar till provhållaren steget. Pulvret eller tunna skikttjocklek bör vara åtminstone tiotals nanometer har detekterbar signal från Raman spektroskopi. För det plana substrathållaren skede helt enkelt lägga substratet under optiken (figur 1b).- Se till att "Laser" och "Active" lampor är släckta innan du öppnar dörren för att vara säkra från oönskade belysning av operations laser. Om dessa lampor inte ut, utföra åtgärderna i steg 20,5 och 2,6. Den "Interlock" tecken alltid tänd.
- Tryck på "Dörr Release" och öppna dörren till mätkammaren, och satte provet på provhållaren stadiet (Figur 1b).
- Justera fokuseringen av provet som skall mätas för att få högsta möjliga signal.
- Välj 50X objektiv och fokusera på ytan av nanokristallen pulver (figur 1b).
- Ta provet i fokus med z-riktningen manipulator av provhållaren. Kontrollera tydligheten i den fokuserade bilden från den aktuella kameravyn på datorskärmen.
- Stäng dörren till mätkammaren.
- Avlägsna luckan genom att klicka på "slutar-out" knappen från Renishaw programvaran, och låta laserljuset lysa på provet som skall mätas. Observera att "Laser" och "Active" tecken nu blinka grönt och blinka rött, respektive. I den aktiva bilden från sCreen kommer lasern att vara synlig (fig 1c).
- Från sökarbilden, finjustera fokusering av provet med hjul roboten tills minsta laserpunkten, vilket är det bästa fokus, observeras på sökarbilden.
- Inrätta en mätning från Renishaw analysprogram som beskrivs nedan (figur 1d).
- Från "Measurement" väljer ny spektral förvärvsalternativ.
- Från pop-up fönster, ställa mätområdet från 150 till 700 cm - 1, ställa in tiden för mätningen som 30 sekunder, det totala antalet förvärvs som 2x, och andelen lasereffekten som 0,5% (av en 25 mW-laser) som skall användas under mätningen. Acceptera parametrarna införas, och fönstret stängs.
- Starta mätningen genom att klicka på förvärvsstartknappen på menyfältet. Under mätningen "Laser" och "Active" tänds kommer att förblividare.
- Öppna inte mätkammaren när dessa lampor är på när lasern är i drift och mätning utförs.
- När mätningen är klar, sätta slutar i genom att klicka på "slutare" knappen från Renishaw programvaran. Observera att lamporna i "Laser" och "Active" är avstängda. Tryck på "Dörr Release" och sedan öppna dörren till mätkammaren.
- Innan provet ut, sänka provhållaren scenen med z-manipulator tills det finns ett säkert avstånd mellan den uppmätta provet och ytan på förstoringsglaset för att ta bort provet. Sedan satte provet tillbaka till sin behållare.
- Stäng av lasern.
- Spara data i Renishaw-format, ".wxd", och i textfilen formatet ".txt". Det senare kommer att användas för analys av de experimentella data.
3. Storlek utdelningsion Fastställande av nanokristallen Intresse
- Öppna textfiler av mätningarna för nanokristallen mätningen, och huvuddelen referens.
- Innan plotta data, jämna dem med kubisk spline, och normalisera data till 1 på sina högsta toppositioner för att få en bra jämförelse av de relativa topp skift.
- Plotta data kiselnanocrystal och referens kisel, bestäm det högsta läget för referens kisel, och uppskatta mängden av skiftet, i förekommande fall, från den faktiska toppositionen av 521 cm -1. 12 Spara sedan de bearbetade kiselnanocrystal uppgifter som .txt fil.
- Starta anpassningsproceduren.
- För montering förfarandet, skriver anpassningsfunktionen visas i figur 2f i en analys program som Mathematica.
- Importera normaliserade och korrigerade uppgifter som underlag för den icke-linjära montering modell med "Import" kommandot.
- Se till att intervalletför skevheten är mellan 0,1 och 1,0, och den genomsnittliga storleksintervallet är mellan 2 nm och 20 nm.
- Om det behövs, sätter ytterligare topp (s) under den uppmätta topp med hjälp av anpassningsfunktionen och upprepa stegen 3.4.2 och 3.4.3 för att passa andra under utgåvan (s).
- Tryck på "Shift + Enter" för att utföra monteringen proceduren.
- Efter det sätter de erhållna värdena för den genomsnittliga storlek och skevhet i den fördefinierade generiska fördelningsfunktionen visas i figur 2b.
- Efter det sätter de erhållna värdena för medelstorlek, D 0 och skevhet, σ, i fördefinierade generiska fördelningsfunktionen visas i figur 2b.
- Ställ in den nedre gränsen för av integralen som en nm. Ställ den övre gränsen för integrationen till valfri storlek som inte uppvisar någon förändring i Raman-spektrat (20 nm för Si-NCS) 12.
- Integrera fördelningsfunktionen i figur 2b Φ (D) vs D för att ge storleksfördelningen. Alternativt, hitta en uppsättning av O (D) värden för varje värde på D (till exempel från 1 till 20 nm för Si-NCs med ökningssteg 1 nm) och tomt Φ (D) jämfört med D, som är storleken fördelning.
- Om ett multimodalt storleksfördelning existerar, först definiera topparna som skall monteras på andra storleksfördelningar. Därefter, beräkna sina volymfraktioner av olika storleksfördelningar med avseende på varandra genom att först hitta de områden av varje toppar erhållna efter dekonvolution av mätdata (med storleksfördelningen bestämningsförfarande) och därefter beräkna arealförhållandet för varje topp i förhållande till den totala Raman-topp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att använda Raman-spektroskopi, såsom en storleksanalys verktyg, till en modell extrahera storleksrelaterad information från en uppmätt Raman-spektrum behövs. Figur 2 sammanfattar analytiska flerpartikel fonon inneslutning modell. 12 Allt-storleksberoende fonon inneslutning funktion (fig 2 c) projiceras på en generisk storleksfördelningsfunktion (figur 2 b), som väljes som en lognormala fördelningsfunktion. Med tanke på amplitud (fig 2 d), full bredd vid halv maximal (figur 2 e), och frekvensskiftet (figur 2 f) värde, kan denna modell med framgång användas för att bestämma storleksfördelningen.
Figur 3 avser användning av flerdeladekel phonon förlossning modell för att bestämma storleken distributionen av Si-NCs (detaljer kommer att följa). Si-NCs används i denna analys har en bimodal storleksfördelning av små och stora Si-NCs som visas i TEM bilden. 13 Enligt TEM storleksanalys (ej visad här), små Si-NCs har en fördelning inom intervallet 2- 10 nm, och stora Si-NCs har en fördelning inom intervallet från 40 till 120 nm. Analysen av Raman-spektrum vid den vänstra panelen visar att storleksfördelningen av små Si-NCs verkligen i intervallet 2-10 nm. Fördelningen är lognormal med en medelstorlek av 4,2 nm och med en skevhet (formanisotropa faktor) av 0,27.
Figur 4 representerar en detaljerad jämförande analys av Si-NCs syntetiseras med användning av olika föregångare flöden i plasmaförstärkt CVD (PECVD) systemet. För montering av as-uppmätta Raman uppgifter, använde vi två monterings funktioner veta att vi hade två underfördelningar i Si-NC blandning. Eftersom Sivisar inte storleksberoende topp-skift för storlekarna är större än 20 nm, kan en massliknande Lorentz topp tilldelas för stora Si-NCs, som ligger i intervallet 40-120 nm i detta fall (representeras som "Large Si -NCS "i ytan). För små Si-NCs använde vi flera partikel fonon förlossningen modell som den anpassningsfunktionen (representeras som "Small Si-NCs" i handlingen). Medelstorleken, och skevheten av storleksfördelningen erhålles från denna passform, som är de nödvändiga parametrarna för att plotta storleksfördelningen visas i figur 2b. Denna anpassningsfunktionen kan integreras upp till storleken från vilken en topp-skift inte observeras någon mer, dvs 20 nm för Si-NCS. Resultaten visar att vi framgångsrikt kan bestämma medelstorleken, skevhet, och den fullständiga storleksfördelningen av Si-NCs (panel c och d) med användning av Raman-spektroskopi. Vidare kan volymandelen av små Si-NCs och stora Si-NCs bestämmas genom förhållandet av integrerade toppareor.För Si-NCs syntetiseras med användning av 3 sccs (standardkubikcentimeter per sekund) av SiH 4 flöde, volymandelen av små Si-NCS 80%, medan för fallet med 10 sccs SiH 4 flödes, är liten Si-NC volymfraktion 88%.
Figur 5 demonstrerar jämförelsen av bestämda medelpartikelstorlek av Si-NCs från olika tekniker. För det första är vår analytisk-PCM 12 (stjärnor) i mycket god överensstämmelse med PCM. 10 För det andra, de resultat som erhållits från Raman-spektroskopi är i god överensstämmelse med resultaten erhållna från transmissionselektronmikroskopi (TEM) och fotoluminiscens-spektroskopi (PL) ( PL storleksfördelningen erhålles genom att använda modellen för Delerue et al., 16). Detta bevisar tillförlitligheten av att använda Ramanspektroskopi med den analytiska-PCM för storleksanalys av Si-NCS. Dessutom visar vi också BPM, 11, som också används för storleksanalys av halvledarnanokristaller.Figur 5 konstaterar också att PCM förutspår storleken på en Si-NC från sin storleksberoende Raman flytta bättre än BPM gör.
Figur 1. Representation av nanopartiklar och Raman-spektrometer. A) Si-NCs deponeras i en Ar / SiH4 gasblandning på plexiglas substrat med användning av en PECVD verktyg. Si-NCs föreligger i form av ett pulver. Färgtonsdifferenser på substratet beror på skillnaderna i morfologier och tjocklekar av Si-NC pulver, som är utsatta för olika plasmaområden under syntesen 13. Som deponerade morfologier av Si-NCs är redo för Ramanspektroskopi mätningar. Den korta sidan av substratet är 2 cm. B) Hänvisning prov, dvs kristallina Si-skiva, mätning för att observera Raman toppositionen av bulk Si. Denna INFORMATIOn kommer att användas som en referenspunkt vid fastställande av den relativa förskjutning av Si-NCs från deras bulktoppositions c) Foto av Raman-spektrometer används för storleksbestämningsstudier. d) Den skärmdump av mjukvaran för att utföra och registrera data till. analyseras.
Figur 2. Formler som används vid analys av storleksfördelningen av Si-NCS. A) Raman-intensiteten av Si-NCs med storleksfördelning. B) Den generiska storleksfördelningsfunktionen för att bestämma Si-NC storleksfördelning. C) Analytisk representation av en- partikel PCM för en Si-NC med en storlek D. d) amplitud, e) hela bredden halva maximum, och f) vibrationsfrekvensen representationer av en Si-NC med en storlek D, som uttryckligenvisas i c).
Figur 3. Från Ramanspektroskopi analys för att nanokristallstorleksfördelning. As-mätdata från Ramanspektroskopi kan omvandlas till en kvantitativ storleksfördelning nanokristaller med hjälp av multi-partikel analytisk-PCM.
Figur 4. Storlek och volymfraktionen analys av Si-NCS. Raman-spektrum av Si-NCs syntetiserad i en PECVD verktyg med användning av en) 3 sccs och b) 10 sccs av SiH 4 (silan) gasflöde, respektive. A) och b) visar avfaltning rutt för små och stora Si-NCS. Deconvolution sker med hjälp av en Lorentz topp för bulk som stora Si-NCs och multi-partikel analytisk-PCM för små Si-NCS. Motsvarande storleksfördelningar och volymfraktioner av små Si-NCs för 3 och 10 sccs SiH 4 flöde demonstreras i c) och d), respektive. Den genomsnittliga storleken på små Si-NCS 4,2 nm med en skevhet av 0,26 för panel c) och 3,7 nm med en skevhet av 0,30 för panel d). Ställer halterna uppskattas som 80% och 88% för panel c) och d), respektive.
Figur 5. Jämförelse av storleksfördelningen av Si-NCs från olika tekniker. Storleksanalys av Si-NCs användning av olika tekniker (TEM och PL 16) och storleksanalys med användning av Raman-spektroskopi gav utmärkt överensstämmelse. Resultaten visar också att PCM leder till en mer exakt storleksbestämning med avseende på BPM. Denna siffra har varaen modifierad från Ref. 12 med tillstånd av American Institute of Physics.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Första diskussionspunkt är de kritiska stegen i protokollet. För att inte ha överlappande toppar med materialet av intresse, är det viktigt att använda en annan typ av substratmaterial som nämns i steg 1,2. Till exempel, om Si-NCs är av intresse, inte använder kiselsubstrat för Raman mätningarna. I figur 1 a, till exempel, har Si-NCs syntetiseras på plexiglas substrat, som har helt plan signal ungefär runt det intressanta området, det vill säga, 480-530 cm - 1. Förutom att mäta en bulkreferenssignal för att uppskatta förskjutningen av nanokristallen relaterade topp såsom nämns i steg 1,4, är det också viktigt att lokalisera den exakta positionen för toppen av bulkmaterial, eftersom det kan också skiftas beroende på drift och miljöförhållanden Raman spektroskopi. I fallet med Si-NCS är referensprovet ett kristallint kiselskiva, som är känt to har den transversella optiska (TO) läge på 521 cm -. 1 12 Detta kan emellertid förskjutas till följd av temperaturen i operationslaser, vilket är omtyckt med omgivningsförhållandena och intensitet. Därför är det viktigt att registrera ett referensdata varje gång innan mätningarna, och korrigera dem med avseende på de kända topposition från litteraturen. En hög lasereffekt kan värma upp nanokristallerna, och ändra deras storlekar, vilket resulterar i en laserinducerad förskjutning i Raman-spektrat. Därför är det viktigt att bestämma den maximala lasereffekt som kan användas på ett säkert sätt att följa anvisningarna i steg 1.5. Om införing den uppskattade genomsnittliga storleken och skevhet i steg 3.4.3 i den anpassningsfunktionen inte kan inte täcka formen på det uppmätta Raman-spektrum, betyder det att materialet analyseras är sammansatt av underfördelningar. Upprepa sedan steg 3.4.2 och 3.4.3 igen för att lägga till ytterligare toppar för montering. Bestämningen av den integrerande segelfärdigeDaries (steg 3.4.7) för storleksfördelningen är en annan kritisk punkt. Gränserna för integral i fördelningsfunktionen representerar minsta och största storlekarna i fördelningen nanokristallen storlek. 1 nm är den minsta stabil storlek för de flesta av nanokristallen systemen. 17 Eftersom mängden storleksberoende förskjutning minskar med en ökning av nanokristall storlek, ställer den övre gränsen för integrationen till valfri storlek som inte uppvisar någon förändring i Raman-spektrum (steg 3.4.8). Exempelvis Si-NCs med storlekar större än 20 nm inte uppvisar någon förskjutning i Raman-spektrat, de liknar bulkliknande beteende. 10,12 Därför, för Si-NCs ställa in den övre gränsen för den i ett stycke med vilken som helst storlek som är större än 20 nm kommer inte att ändra resultatet.
PCM beskriver storleksberoende Raman toppar nanokristaller genom ett komplicerat uttryck. I själva verket, PCM beroende av fonon dispersionen, begränsningsfunktion, och vibranson frekvens, vilket alla implicit att bero på storleken, D. Vidare är PCM för en specifik storlek, och för att bestämma storleksfördelningen, måste den projiceras på en generisk fördelningsfunktion och få integreras över ett storleksområde. Detta förfarande är komplicerat och hittills har experimental använder Ramanspektroskopi främst för att bestämma den genomsnittliga storleken på Si-NCs från förskjutning av as-mätt Raman topp. Å andra sidan, den multipartikel analytisk-PCM som vi har formulized innehåller storleken, D, som en explicit parameter och gör det möjligt att bestämma inte bara den genomsnittliga storleken, utan också den fullständiga fördelningen, och det formar på ett enkelt sätt med hjälp av Raman-spektroskopi.
Som redan märkt, är Ramanspektroskopi kan bestämma storleksfördelningen av nanokristaller inom begränsningsgränsen, vilket är ca 20 nm för Si. Större storlekar kan inte analyseras för deras storleksfördelning, eftersom de inte uppvisar en storlek-beroende funktion i Raman-spektrum, det vill säga, de har liknande topp former och positioner som bulk kristallint Si. Denna begränsning gäller för alla typer av nanokristall-system som uppvisar storleksberoende topp-förskjutning i Raman-spektrat. Däremot kan begränsnings gränsen variera beroende på nanokristallen systemet. Till exempel är begränsningsgränsen för Ge-NCs ca 15 nm. 18
Ett problem under storleksanalys av nanokristaller det är förskjutning av Raman toppar nanokristaller på grund av de sekundära skäl, vilket skulle kunna resultera i fel storlek tolkningar med hjälp av Raman-spektroskopi. Dessa sekundära orsaker är strukturell modifiering (korntillväxt eller formförändring) av nanokristaller enligt driven lasereffekt under Raman mätning, och den stress som induceras av matrisen, i vilken nanokristaller är inbäddade (om någon). För att undvika överdriven laser uppvärmning, är det tillrådligt att starta mätningen med lägsta möjliga lasereffekten och öka dengradvis upprätta en tydlig signal. Så länge toppform och läget förblir stabilt oberoende av lasereffekt används, kan det anses att lasereffekten används i säker gräns. 13 Dessutom, bortom vilken en uppvärmningsrelaterade breddning av Raman topparna är gränsen observerade definieras i litteraturen som Fano breddning. 12,19 Så länge Fano bredda gränsen inte nås, nanopartiklar är inte föremål för uppvärmning relaterade ändringar. Om stressrelaterad topp-förskjutning är närvarande, är det oundvikligt, och måste redovisas innan bestämning av storleksberoende topp-skift. Mängden stress kan bestämmas med användning av röntgendiffraktion (XRD), där en förskjutning i diffraktionstopp position är ett mått på stress. Den beräknade stress kan sedan redovisas i Raman-spektrum med en tillsats av stressberoende topp-shift sikt. 18 Om ingen stress observeras från XRD, kan utföras direkt analys av storleksfördelningfrån som uppmätta Raman-spektrum. Eftersom alla nanopartiklar har stabila strukturer, som tidigare observerats, 14 kristalliniteten är väl etablerad, och oro i samband med dålig kristallina strukturer uteslutas för Raman analys.
Multi-partikel analytisk-PCM visas i figur 2 en är flexibel när det gäller fördelningsfunktionen och begränsningsfunktion som används. Till exempel kan någon typ av generiska fördelningsfunktion ersättas med lognormala fördelningsfunktion, det vill säga det kan vara en lognormala, normal, eller en logistisk funktion, utan att påverka fonon förlossningen funktionen. Dessutom det analytiska-PCM visat i fig 2c kan omdefinieras beroende på typen av det material som skall användas. Vissa nanocrystal system som uppvisar storleksberoende Raman topp-skift (så att deras storleksfördelningar kanockså bestämmas med hjälp Ramanspektroskopi) är Ge-NCS 20 SNO 2 -NCS, 21 TiO 2 -NCS, 22 och diamant-NCS. 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).
