אפיון התפלגות גודל ננו באמצעות ראמאן ספקטרוסקופיה עם דגם Phonon מאסר רב-חלקיקים

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא להשתמש בספקטרוסקופיית רמן כדי לקבוע את התפלגות הגדלים של ננו-חלקיקים באופן מהיר, אמין ולא הרסני. זאת מושג תחילה על ידי השגת ספקטרום הרמן של הננו-חלקיקים הרלוונטיים. השלב השני הוא ניתוח נתוני המדידה ואיתור תתי-ההתפלגויות שבהם באמצעות מודל confinement של פונוני רב-חלקיקים.

בשלב הבא, נקבעים הגודל הממוצע ומקדם הרוחב של תתי-ההתפלגויות מהמודל שהותאם. השלב הסופי הוא שימוש בפרמטרים שהתקבלו כדי לקבוע את התפלגות הגודל בפועל של הננו-חלקיקים הנבדקים. לבסוף, נעשה שימוש בספקטרוסקופיית רמנא כדי להראות שניתן לקבוע את התפלגות הגודל של הננו-חלקיקים בדרך מהירה, אמינה ולא הרסנית.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כגון מיקרוסקופיה אלקטרונית בשיטת חדירה (TEM) ועקיפת קרני X הוא שספקטרוסקופיית רמאן מספקת תוצאות מהירות ואמינות באופן לא הורס, והיא זמינה לפי דרישה ברוב המעבדות. התחל בסינתזה של הננו-גבישים הרלוונטיים. שקע את ננו-גבישי הסיליקון על מצע זכוכית באמצעות שיטות שיקוע כימי מאדיים בשיפור פלזמה (PECVD).

כאן, סינתזו ננו-גבישי סיליקון בגודל מקורב של 2 עד 120 ננומטרים ובהתפלגות בי-מודאלית בטווחים של 2 עד 10 ננומטרים ו-40 עד 120 ננומטרים. לאחר מכן, הפעילו את הלייזר של מערכת ספקטרוסקופיית הרמן והמתינו כ-15 דקות להתחממותו כדי שעוצמת הלייזר תתייצב; ודאו כי הלייזר והנורות הפעילות כבויים לפני פתיחת הדלת, כדי להבטיח בטיחות מחשיפה לאור בלתי רצוי של הלייזר הפעיל. לאחר מכן לחצו על הדלת.

שחררו ופתחו את דלת תא המדידה. הניחו את הדגימה על במת מחזיק הדגימות. בחרו בעדישה פי 50 ובצעו פוקוס על פני השטח של אבקת הננו-גביש.

לאחר מכן סגרו את דלת תא המדידה. בשלב הבא, הסירו את התריס על ידי לחיצה על כפתור shutter out. סימן הלייזר אמור להבהב כעת בירוק והסימן active אמור להבהב באדום בתמונה החיה. תקין.

כווננו את המיקוד של הדגימה באמצעות הגלגל המניפולטור עד שניתן יהיה להבחין בנקודת הלייזר הקטנה ביותר בתמונה החיה. לאחר מכן, מסרגל כלי המדידה, בחרו באפשרות לרכישה ספקטרלית חדשה. בחלון הקופץ, הגדירו את טווח המדידה לבין 150 ל-700 inverse centimeters. הגדירו את זמן המדידה ל-30 seconds, את מספר הרכישות הכולל לשניים, ואת אחוז הספק של הלייזר ל-0.5% בהתבסס על לייזר של 25 milliwatt.

בשלב הבא, התחל את המדידה על ידי לחיצה על כפתור תחילת הרכישה (acquisition start) בסרגל התפריטים. לאחר סיום המדידה, סגור את התריס על ידי לחיצה על כפתור סגירת התריס (shutter in), ושמור את הנתונים הן כקובץ A WXD והן כקובץ TXT. קובץ הטקסט ישמש לניתוח הנתונים הניסויים.

ודאו שנוריות הלייזר והנוריות הפעילות כבויות. לאחר מכן, לחצו על שחרור הדלת ופתחו את דלת תא המדידה. לאחר מכן, מדדו דגימת ייחוס (bulk reference) של הננו-חומר על ידי חזרה על תהליך זה.

השתמשו בדגימת ייחוס ממיקום השיא של החומר הגולמי כדי להעריך את ההסטה היחסית. ראשית, פתחו את קבצי הטקסט של המדידות עבור מדידת ה-nano Krystal ועבור ייחוס החומר הגולמי לפני שרטוט הנתונים. החליקו אותם באמצעות cubics, spline, ונרמלו את הנתונים לערך 1 במיקומי השיא הגבוהים ביותר שלהם.

על מנת לקבל השוואה טובה של הזזות השיא היחסיות, שרטט את הנתונים של ננו-גביש הסיליקון ושל הסיליקון הייחוס. קבע את מיקום השיא של הסיליקון הייחוס והעריך את מידת ההזזה, אם קיימת, ביחס למיקום השיא הממשי של 521 inverse centimeters. לאחר מכן, שמור את נתוני ננו-גביש הסיליקון שעבר עיבוד כקובץ TXT.

לאחר מכן, התחל בפרוצדורת ההתאמה (fitting). הקלד את פונקציית ההתאמה המוצגת כאן בתוכנת ניתוח כגון Mathematica. ודא שטווח העקמומיות (skewness) הוא בין 0.1 ל-1.0, וטווח הגודל הממוצע הוא בין 2 nm ל-20 nm. עבור פרוצדורת ההתאמה, ייבא תחילה את הנתונים הנורמליזים והמתוקנים כקלט עבור מודל ההתאמה הלא-לינארי.

השתמש בפקודת ה-import ולחץ על shift ו-enter כדי לבצע את הליך ההתאמה (fitting). לאחר מכן, הכנס את הערכים שהתקבלו עבור הגודל הממוצע וההטיה (skewness) לפונקציית ההתפלגות הגנרית שהוגדרה מראש ומוצגת כאן. לבסוף, סמן את משוואת התפלגות הגודל המוצגת כאן ושרטט את התפלגות הגודל מ-2 עד 15 nanometers באמצעות פקודת ה-plot, כאשר אלו הם הגבולות התחתון והעליון של ההתפלגות.

החלקיקים בדגימה המוצגת כאן נמדדו באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת (TEM), ונמצא כי הם בעלי התפלגות גדלים בי-מודאלית של ננו-חלקיקים. הננו-חלקיקים הקטנים היו בין 2 ל-10 ננומטרים, והננו-חלקיקים הגדולים היו בין 40 ל-120 ננומטרים. ניתוח ספקטרום הרמן מעלה כי התפלגות הגדלים של החלקיקים הקטנים היא אכן בטווח של 2 עד 10 ננומטרים.

נמצא כי ההתפלגות היא לוג-נורמלית עם גודל ממוצע של 4.2 nanometers ואסימטריה של 0.27. ספקטרוסקופיית Raman היא שיטה אידיאלית למדידת הפרש הגודל הקטן של ננו-חלקיקי סיליקון שנוצרו באמצעות שני קצבי זרימה שונים; כאשר קצב הזרימה הועלה מ-3 standard cubic centimeters per second ל-10, קוטר החלקיקים הממוצע ירד והאסימטריה עלתה מעט. לאחר רכישת מיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו תוך דקות ספורות אם היא מבוצעת כראוי.