Summary
نحن لشرح كيفية تحديد توزيع حجم البلورات النانوية شبه الموصلة بطريقة كمية باستخدام رامان الطيفي توظيف ومتعددة الجسيمات نموذج الطاقة الصوتية الحبس المعرفة التحليلية. النتائج التي تم الحصول عليها في اتفاق ممتازة مع غيرها من تقنيات التحليل حجم مثل المجهر الإلكتروني انتقال ومعان ضوئي الطيفي.
Abstract
تحليل توزيع حجم البلورات النانوية هو شرط حاسم لمعالجة والتحسين التي تعتمد على حجم ممتلكاتهم. التقنيات المستخدمة لتحليل حجم هي نقل الإلكترون المجهري (TEM)، حيود الأشعة السينية (XRD) والتحليل الطيفي معان ضوئي (PL). هذه التقنيات، ولكن ليست مناسبة لتحليل حجم التوزيع النانوية بطريقة سريعة وغير مدمرة وبطريقة موثوقة في نفس الوقت. هدفنا في هذا العمل هو لإثبات أن توزيع حجم البلورات النانوية شبه الموصلة التي تخضع لتعتمد على حجم آثار الطاقة الصوتية الحبس، يمكن تقدير الكمية بطريقة غير مدمرة، سريعة وموثوق بها باستخدام رامان الطيفي. وعلاوة على ذلك، توزيع حجم مختلطة يمكن بحثها على حدة، ويمكن تقدير النسب الحجمية كل منها باستخدام هذه التقنية. من أجل تحليل حجم التوزيع، قمنا formulized تعبير تحليلي للPCM-جسيم واحد وصrojected وضعها على وظيفة التوزيع العامة التي سوف تمثل توزيع حجم النانوية تحليلها. كتجربة نموذجية، قمنا بتحليل توزيع حجم البلورات النانوية السيليكون قائمة بذاتها (سي البلاغات) مع توزيع حجم متعددة الوسائط. حجم التوزيعات المقدرة في اتفاق ممتازة مع TEM وPL النتائج، وكشف عن موثوقية نموذجنا.
Introduction
البلورات النانوية شبه الموصلة لفت الانتباه كما خصائصها الإلكترونية والبصرية يمكن ضبطها ببساطة عن طريق تغيير حجمها في مجموعة مقارنة منها الأكسيتون-بور أنصاف أقطار الخاصة بهم. 1 هذه تعتمد على حجم ميزات فريدة من نوعها تجعل هذه البلورات النانوية ذات صلة التطبيقات التكنولوجية المختلفة. على سبيل المثال، والآثار الناقل الضرب، لاحظ عندما يتم امتصاص الفوتون طاقة عالية من البلورات النانوية من سيلينيد الكادميوم، سي، وشركة جنرال الكتريك، ويمكن استخدامها في مفهوم تحويل الطيف في تطبيقات الخلايا الشمسية؛ 2 - الانبعاث الضوئي 4 أو حجم المعتمد من برنامج تلفزيوني البلاغات وسي البلاغات يمكن أن تستخدم في ضوء الصمام الثنائي الباعث لل(LED) التطبيقات. 5،6 A معرفة دقيقة والسيطرة على توزيع حجم النانوية بالتالي ستلعب دورا حاسما في موثوقية وأداء هذه التطبيقات التكنولوجية القائمة على على البلورات النانوية.
التقنيات المستخدمة عادة لحجم ديمكن سرد istribution والتشكل تحليل بلورات كما حيود الأشعة السينية (XRD)، انتقال المجهر الإلكتروني (TEM)، معان ضوئي الطيفي (PL)، ورامان الطيفي. XRD هو أسلوب البلورات التي تكشف المعلومات المورفولوجية للمواد تحليلها. من توسيع ذروة الانحراف، وتقدير حجم النانوية هو ممكن، 7 ومع ذلك، والحصول على بيانات واضحة وعادة ما تستغرق وقتا طويلا. وعلاوة على ذلك، يمكن XRD تمكين فقط حساب متوسط حجم التوزيع النانوية. في وجود حجم التوزيعات متعددة الوسائط، ويمكن تحليل الحجم مع XRD تكون مضللة وتؤدي إلى تفسيرات خاطئة. TEM هي تقنية قوية تمكن التصوير من البلورات النانوية. 8 وعلى الرغم من TEM غير قادرة على الكشف عن وجود توزيعات الفردية في توزيع حجم متعدد الوسائط، مخرج إعداد العينات هي دائما محاولة أن تنفق قبل القياسات. وبالإضافة إلى ذلك، والعمل على المكتظ نانوالفرق الكريستال مع أحجام مختلفة يمثل تحديا بسبب صعوبة التصوير النانوية الفردية. التحليل الطيفي معان ضوئي (PL) هي تقنية تحليل البصرية، والبلورات النانوية نشطة ضوئيا يمكن تشخيصها. يتم الحصول على توزيع حجم النانوية من الانبعاثات التي تعتمد على الحجم. 9 نظرا لخصائصها البصرية الفقيرة النانوية غير المباشرة الفرقة الفجوة، بلورات كبيرة التي لا تخضع للحبس الآثار، وعيب الغني بلورات صغيرة لا يمكن الكشف عنها بواسطة PL وحجم المرصود توزيع يقتصر فقط على البلورات النانوية مع الخصائص البصرية جيدة. على الرغم من كل هذه التقنيات المذكورة أعلاه مزاياه الخاصة، فإن أيا منها لديها القدرة على تلبية توقعات (وهذا هو، لكونها سريعة وغير مدمرة، ويمكن الاعتماد عليها) من والمثالية تقنية تحليل الحجم.
وسيلة أخرى لتحليل توزيع حجم البلورات النانوية هي رامان الطيفي. رامان الطيفي هو متاح على نطاق واسعفي معظم المختبرات، وأنها هي تقنية سريعة وغير مدمرة. بالإضافة إلى ذلك، في معظم الحالات، لا يتطلب إعداد العينات. رامان الطيفي هو تقنية الذبذبات، والتي يمكن استخدامها للحصول على معلومات عن الأشكال التضاريسية مختلفة (بلوري أو غير متبلور)، والمعلومات المتعلقة حجم (من التحول تعتمد على الحجم في أوضاع الطاقة الصوتية التي تظهر في الطيف الترددي) من المادة تحليلها 10 ميزة فريدة من رامان الطيفي هو أنه، بينما لوحظت تغييرات تعتمد على حجم تحولا في الطيف الترددي، وشكل ذروة الطاقة الصوتية (توسيع، والتباين) يعطي معلومات على شكل توزيع حجم النانوية. ولذلك فمن حيث المبدأ ممكن لاستخراج المعلومات اللازمة، أي حجم متوسط، وعامل الشكل، من رامان طيف للحصول على توزيع حجم البلورات النانوية تحليلها. في حالة توزيع حجم متعددة الوسائط كما يمكن تحديد التوزيع الفرعية بشكل منفصل عن طريق deconvoluنشوئها من الطيف رامان التجريبية.
في الأدب، ويشار إلى نظريتين عادة لنمذجة تأثير توزيع حجم النانوية على شكل طيف رامان. نموذج الاستقطاب السندات (BPM) 11 يصف الاستقطاب من النانوية من مساهمات جميع السندات ضمن هذا الحجم. نموذج الطاقة الصوتية الحبس الجسيمات واحد (PCM) 10 يستخدم المتغيرات الفيزيائية التي تعتمد على حجم، أي قوة الدفع وضوح الشمس، وتواتر الطاقة الصوتية والتشتت، ودرجة الحبس، لتحديد الطيف رامان من النانوية مع حجم معين. وبما أن هذه المتغيرات المادية تعتمد على حجم وتمثيل التحليلي للPCM التي يمكن formulized صراحة بوصفها وظيفة من حجم النانوية يمكن تعريف. ولذلك فإن إسقاط هذا التعبير على وظيفة توزيع حجم عامة تكون قادرة على حساب لتأثير توزيع حجم داخل PCM، والتي يمكن استخدامها لتحديد nanocrتوزيع حجم ystal من الطيف رامان التجريبية. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. التخطيط للتجارب
- توليف أو الحصول على البلورات النانوية من الفائدة 13 (الشكل 1A).
- تجنب أي خلط مع إشارة الخلفية عن طريق التأكد من أن المواد الركيزة ايوجد تداخل القمم في الطيف رامان من البلورات النانوية (الشكل 1A).
- بدوره على الليزر من الإعداد الطيفي رامان. انتظر ما يكفي من الوقت (حوالي 15 دقيقة) لشدة الليزر لتحقيق الاستقرار.
- قياس إشارة السائبة من المواد متناهية الصغر ليتم تحليلها 12 (الشكل 1B)، باتباع الخطوات القياس هو موضح في الخطوة 2. من موقف ذروة المواد السائبة، وتقدير التحول النسبي 12.
- تقدير قوة الليزر اللازمة لقياسات رامان باستخدام القوى المختلفة على البلورات النانوية الذهاب إلى قياسها. بدء قياس مع أقل قوة ممكنة للحصول على إشارة كافية (نسبة كثافة الذروة ليجب أن تكون الضوضاء الخلفية 50 على الأقل)، وزيادة قوة الليزر إذا لزم الأمر، طالما أن موقف وشكل النانوية رامان الذروة يبقى نفس 12،13.
2. رامان الطيفي للالنانوية الاهتمام
- تحميل العينة مع مسحوق النانوية أودعت على الركيزة في غرفة القياس.
ملاحظة: أبعاد الركيزة ليست حرجة (يمكن أن يكون من ملليمترات إلى عشرات السنتيمترات) طالما أنه يناسب المرحلة صاحب العينة. مسحوق أو سمك طبقة رقيقة يجب أن تكون على الأقل عشرات نانومتر أن يكون إشارة للكشف عن رامان مطياف. لحامل مرحلة مستو الركيزة، ببساطة وضع الركيزة تحت البصريات (الشكل 1B).- تأكد من أن "ليزر" وأضواء "النشطة" هي خارج قبل فتح الباب لكي تكون في مأمن من الإضاءة غير المرغوب فيها ليزر التشغيل. إذا كانت هذه الأضواء ليست حالا، تنفيذ الإجراءات في الخطوات من 20.5 و 2.6. و"الانترلوك" علامة يبقى على الدوام.
- اضغط على "باب بيان" وفتح باب غرفة القياس، ووضع العينة على مرحلة صاحب العينة (الشكل 1B).
- ضبط تركيز العينة المراد قياسها للحصول على أعلى إشارة ممكنة.
- حدد الهدف 50X والتركيز على سطح مسحوق النانوية (الشكل 1B).
- إحضار العينة تحت التركيز باستخدام مناور ض اتجاه صاحب العينة. تحقق من وضوح الصورة مركزة من عرض الكاميرا الحية على شاشة الكمبيوتر.
- إغلاق باب غرفة القياس.
- إزالة مصراع عن طريق النقر على زر "مصراع التدريجي" من برنامج RENISHAW، والسماح للضوء ليزر تألق على العينة المراد قياسها. نلاحظ أن "الليزر" وعلامات "نشطة" وميض الآن الأخضر وميض أحمر، على التوالي. في صورة حية من لياليcreen، فإن الليزر تكون مرئية (الشكل 1C).
- من صورة حية، صقل تركيز العينة باستخدام مناور عجلة حتى أصغر بقعة الليزر، والذي هو أفضل التركيز، ويلاحظ على الصورة الحية.
- اقامة القياس من برامج التحليل RENISHAW كما هو موضح أدناه (1D الشكل).
- من "قياس" حدد خيار جديد الاستحواذ الطيفي.
- من النافذة المنبثقة، تعيين نطاق القياس 150-700 سم - 1، ضبط الوقت لقياس إلى 30 ثانية، فإن العدد الإجمالي للاستحواذ كما 2X، والنسبة المئوية للطاقة الليزر إلى 0.5٪ (من 25 ميغاواط ليزر) لاستخدامها أثناء القياس. قبول المعلمات إدراج، وسيتم إغلاق النافذة.
- بدء القياس عن طريق النقر على زر البداية الاستحواذ على القائمة بار. خلال القياس "ليزر" وأضواء "النشطة" سيبقىعلى.
- لا تفتح غرفة القياس عند هذه الأضواء هي على النحو الليزر في العملية ويتم تنفيذ القياس.
- بعد الانتهاء من قياس، ووضع مصراع في بالنقر على "مصراع في" زر من برنامج RENISHAW. لاحظ أن الأضواء من "الليزر" و "نشط" يتم إيقاف تشغيل. اضغط على "باب بيان" ومن ثم فتح باب غرفة القياس.
- قبل أخذ عينة من، وانخفاض المرحلة صاحب العينة مع ض مناور حتى يكون هناك مسافة آمنة بين العينة قياس وسطح العدسة المكبرة لإزالة عينة. ثم، وضع العينة إلى الحاوية الخاصة به.
- إيقاف الليزر.
- حفظ البيانات في RENISHAW شكل برنامج ".wxd"، وفي شكل ملف نصي ". TXT". هذا الأخير سيتم استخدامها لتحليل البيانات التجريبية.
3. الحجم Distributايون تحديد من النانوية الاهتمام
- فتح الملفات النصية من القياسات لقياس النانوية، والمرجع الأكبر.
- قبل بالتآمر البيانات، وتسهيل لهم باستخدام شريحة مكعب، وتطبيع البيانات إلى 1 في أعلى المناصب ذروتها من أجل أن يكون لها مقارنة جيدة من التحولات الذروة النسبية.
- رسم البيانات النانوية السيليكون والسيليكون المرجعية، وتحديد موقف ذروة السيليكون المرجعية، وتقدير كمية التحول، إن وجدت، من موقع الذروة الفعلي 521 سم -1. 12 ثم حفظ البيانات النانوية السيليكون معالجتها على النحو TXT. ملف.
- بدء الإجراء المناسب.
- لهذا الإجراء المناسب، اكتب الدالة المناسب هو مبين في الشكل 2F في برنامج تحليل مثل الرياضيات.
- استيراد البيانات تطبيع وتصحيح كإدخال لنموذج المناسب غير الخطية باستخدام "استيراد" القيادة.
- ضمان أن الفاصل الزمنيلالتواء ما بين 0.1 و 1.0، والفاصل حجم متوسط يتراوح بين 2 نانومتر و 20 نانومتر.
- إذا لزم الأمر، أدخل الذروة إضافية (الصورة) تحت الذروة قياسها باستخدام وظيفة مناسبة وكرر الخطوات 3.4.2 و3.4.3 لتتناسب مع غيرهم من التوزيع الفرعي (ق).
- اضغط على "التحول + أدخل" لتنفيذ الإجراء المناسب.
- بعد ذلك، أدخل القيم التي تم الحصول عليها لحجم متوسط وأي انحراف في وظيفة التوزيع عامة محددة مسبقا هو مبين في الشكل 2B.
- بعد ذلك، أدخل القيم التي تم الحصول عليها لحجم متوسط، D 0، والالتواء، σ، في دالة التوزيع عامة محددة مسبقا هو مبين في الشكل 2B.
- تعيين الحدود الدنيا للمن تكامل ك 1 نانومتر. تعيين الحد العلوي من التكامل إلى أي حجم الذي لا يحمل أي تحول في الطيف رامان (20 نانومتر لسي البلاغات) 12.
- دمج وظيفة التوزيع في الشكل 2B Φ (D) مقابل D لإعطاء حجم التوزيع. بدلا من ذلك، العثور على مجموعة من Φ (D) القيم لكل قيمة D (على سبيل المثال، 1-20 نانومتر لسي البلاغات بزيادة قدرها 1 نانومتر) ومؤامرة Φ (D) مقابل D، والذي هو حجم التوزيع.
- في حالة وجود توزيع حجم متعدد الوسائط، أولا تعريف القمم التي سيتم تركيبها لتوزيع حجم أخرى. ثم، وتقدير الكسور حجمها من حجم التوزيعات المختلفة مع الاحترام لبعضهما البعض من خلال إيجاد أولا مجالات كل القمم التي تم الحصول عليها بعد deconvolution للبيانات القياس (مع إجراء تحديد حجم التوزيع) ومن ثم حساب نسبة المساحية من كل الذروة فيما يتعلق مجموع ذروة رامان.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
لاستخدام رامان الطيفي كأداة تحليل حجم، وهذا نموذج لاستخراج المعلومات ذات الصلة من حجم هناك حاجة لطيف رامان قياسه. الشكل 2 يلخص متعددة الجسيمات التحليلي للنموذج الطاقة الصوتية الحبس 12 جميع الحجم التي تعتمد على وظيفة الطاقة الصوتية الحبس (الشكل 2 ج) يتم إسقاطها على وظيفة حجم التوزيع العامة (الشكل 2 ب)، الذي يتم اختياره بوصفها وظيفة التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي. ونظرا لاتساع (الشكل 2 د)، عرض كامل في نصف كحد أقصى (الشكل 2 ه)، والتحول تردد (الشكل 2 و) قيمة، يمكن أن تستخدم بنجاح هذا النموذج لتحديد حجم التوزيع.
الرقم 3 يتوخى استخدام متعددة الأجزاءICLE الطاقة الصوتية نموذج الحبس لتحديد توزيع حجم سي البلاغات (التفاصيل ستتبع). سي البلاغات المستخدمة في هذا التحليل لديها حجم التوزيع ذات النسقين من الصغيرة والكبيرة سي البلاغات كما هو مبين في الصورة TEM. 13 ووفقا لتحليل حجم TEM (غير مبينة هنا)، صغيرة سي البلاغات لها التوزيع في مجموعة 2- 10 نانومتر، وكبير سي البلاغات أن يكون توزيع في نطاق 40-120 نانومتر. ويكشف تحليل الطيف رامان في اللوحة اليسرى إلى أن توزيع حجم صغير سي البلاغات هي في الواقع في نطاق 2-10 نانومتر. والتوزيع اللوغاريتمي مع حجم متوسط من 4.2 نانومتر، مع وجود التواء (شكل عامل تباين) من 0.27.
ويمثل الرقم 4 تحليل مقارن مفصل لسي البلاغات تصنيعه باستخدام السلائف مختلف يتدفق في (PECVD) نظام البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية. لتركيب البيانات رامان مقاسا، كنا ظيفتين المناسب مع العلم أن لدينا اثنين من التوزيعات الفرعية في خليط سي-NC. منذ سيلا تظهر تعتمد على حجم ذروة التحول لأحجام أكبر من 20 نانومتر، وهي ذروة Lorentzian مثل معظم يمكن تعيين لواسع سي البلاغات، والتي هي في نطاق 40-120 نانومتر في هذه الحالة (ممثلة ب "كبيرة سي -NCs "في المؤامرة). للشركات الصغيرة سي البلاغات، استخدمنا متعددة الجسيمات نموذج الطاقة الصوتية الحبس عن وظيفة مناسبة (ممثلة ب "الصغيرة سي البلاغات" في المؤامرة). يتم الحصول على حجم متوسط، وانحراف لتوزيع حجم من هذا مناسبا، والتي هي المعلمات الضرورية لرسم توزيع حجم موضح في الشكل 2B. هذه وظيفة مناسبة يمكن أن تكون متكاملة تصل إلى حجم من خلالها التحول ذروة لا يلاحظ أي أكثر من ذلك، أي 20 نانومتر لسي البلاغات. وأظهرت النتائج أن نتمكن من تحديد بنجاح حجم متوسط، الإلتواء، وتوزيع كامل حجم سي البلاغات (لوحة ج، د) باستخدام رامان الطيفي. وعلاوة على ذلك، فإن نسبة حجم صغير سي البلاغات واسع سي البلاغات يمكن تحديد نسبة المناطق الذروة متكاملة.لسي البلاغات تصنيعه باستخدام 3 SCCS (سم مكعب في الثانية الواحدة) من سيح 4 التدفق، وجزء حجم صغير سي البلاغات كانت 80٪، في حين أن حالة 10 SCCS سيح 4 تدفق، صغيرة سي-NC حجم جزء هو 88٪.
يوضح الشكل 5 مقارنة العزم متوسط حجم الجسيمات من سي البلاغات من تقنيات مختلفة. أولا، لدينا التحليلية PCM 12 (نجوم) هو في اتفاق جيد جدا مع PCM. 10 ثانيا، فإن النتائج التي تم الحصول عليها من رامان الطيفي هي في اتفاق جيد مع النتائج التي تم الحصول عليها من انتقال المجهر الإلكتروني (TEM) ومعان ضوئي الطيفي (PL) ( يتم الحصول على توزيع حجم PL باستخدام نموذج Delerue وآخرون. 16). هذا يثبت موثوقية باستخدام رامان الطيفي لدى PCM التحليلي لتحليل حجم سي البلاغات. وبالإضافة إلى ذلك، ونحن أيضا إظهار BPM، 11 والذي يستخدم أيضا لتحليل حجم البلورات النانوية شبه الموصلة.ويخلص الرقم 5 أيضا أن PCM تتنبأ بحجم سي-NC من رامان تحويل أفضل من BPM لا تعتمد على حجمها.
الشكل 1. تمثيل النانوية ومطياف رامان. أ) سي البلاغات المودعة في الرياض / سيح خليط 4 الغاز على ركائز شبكي باستخدام أداة PECVD. سي البلاغات هي في شكل مسحوق. ومن المقرر أن الاختلافات في الأشكال التضاريسية وسمك من مسحوق سي-NC، التي تتعرض لمناطق البلازما مختلفة خلال التوليف 13 الاختلافات لهجة على الركيزة. كما الأشكال التضاريسية المودعة من سي البلاغات جاهزة للقياسات مطيافية رامان. الجانب القصير من الركيزة هو 2 سم. ب) عينة المرجعي، أي البلورية سي ويفر، قياس من أجل مراقبة الموقف ذروة رامان من الجزء الأكبر سي. هذه المعلومات!ن وسوف تستخدم كنقطة مرجعية عند تحديد التحول النسبي للسي البلاغات من موقف الذروة معظم بهم. ج) صورة من مطياف رامان تستخدم للدراسات تحديد حجم. د) لقطة من البرنامج لأداء وتسجيل البيانات ل يتم تحليلها.
الرقم 2. الصيغ المستخدمة في تحليل توزيع حجم سي البلاغات. أ) شدة رامان من سي البلاغات مع حجم التوزيع. ب) وظيفة توزيع حجم عامة لتحديد سي-NC حجم التوزيع. ج) تمثيل تحليلي واحدة- PCM الجسيمات لسي-NC مع حجم D. د) السعة، ه) العرض الكامل نصف كحد أقصى، وو) تمثيل تردد الاهتزاز لسي-NC مع حجم D، والتي صراحةتظهر في ج).
الرقم 3. من رامان الطيفي لتحليل النانوية حجم التوزيع. ويمكن تحويل كما هو وقياس البيانات من رامان الطيفي لتوزيع حجم الكمية من البلورات النانوية باستخدام متعددة الجسيمات التحليلية PCM.
الرقم 4. الحجم وتحليل نسبة حجم سي البلاغات. رامان طيف سي البلاغات توليفها في أداة PECVD باستخدام أ) 3 SCCS وب) 10 SCCS من سيح 4 (سيلاني) تدفق الغاز على التوالي. أ) و (ب)) يدل على الطريق deconvolution الصغيرة والكبيرة سي البلاغات. يتم Deconvolution باستخدام ذروة Lorentzian لمثل بكميات كبيرة سي البلاغات ومتعدد الجسيمات التحليلية-PCM للشركات الصغيرة سي البلاغات. المقابلة توزيع حجم وكسور حجم صغير سي البلاغات عن وأظهر في ج 3 و 10 SCCS سيح 4 تدفق) ود)، على التوالي. متوسط حجم صغير سي البلاغات 4.2 نانومتر مع انحراف 0.26 لوحة ج) و 3.7 نانومتر مع انحراف 0.30 لوحة د). وتقدر حجم الكسور إلى 80٪ و 88٪ لوحة ج) و د)، على التوالي.
الرقم 5. مقارنة لتوزيع حجم سي البلاغات من تقنيات مختلفة. أدى تحليل حجم سي البلاغات باستخدام تقنيات مختلفة (TEM وPL 16)، وتحليل حجم باستخدام رامان الطيفي في اتفاق ممتازة. تظهر النتائج أيضا أن PCM يؤدي إلى تحديد حجم أكثر دقة فيما يتعلق BPM. هذا الرقم قد يكونأون معدلة من المرجع. 12 بإذن من المعهد الأمريكي للفيزياء.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
النقطة الأولى هي مناقشة الخطوات الحاسمة في البروتوكول. لكي لا يكون قمم متداخلة مع المواد من الفائدة، فمن المهم استخدام نوع آخر من المواد الركيزة كما ذكر في الخطوة 1.2. على سبيل المثال، إذا سي البلاغات تهم، لا تستخدم الركيزة السيليكون للقياسات رامان. في الشكل 1، على سبيل المثال، تم توليفها سي البلاغات على ركائز شبكي، التي لديها إشارة مسطحة تماما تقريبا حول مجموعة من الفائدة، أي 480-530 سم - 1. بالإضافة إلى قياس إشارة مرجعية السائبة لتقدير التحول من ذروة المتعلقة النانوية كما ذكر في الخطوة 1.4، كما أنها حاسمة لتحديد الموضع الدقيق للذروة المواد السائبة، لأنها يمكن أن تحول هذا يتوقف أيضا على التشغيل وظروف البيئة رامان مطياف. بالنسبة لقضية سي البلاغات، والعينة المرجعية هي رقاقة السيليكون البلورية، والذي يعرف رس لديها عرضية البصرية (TO) واسطة في 521 سم - 1 12 ومع ذلك، يمكن أن تحول نتيجة لدرجة حرارة الليزر التشغيل، والذي يحب مع الظروف المحيطة، وكثافة. وبالتالي، فمن المهم لتسجيل البيانات المرجعية في كل مرة قبل القياسات، وتصحيحها فيما يتعلق بمواقف الذروة المعروفة من الكتب. A قوة الليزر عالية يمكن تسخين البلورات النانوية، وتغيير أحجامها، الأمر الذي يؤدي إلى تحول الليزر التي يسببها في الطيف رامان. لذا، فمن الأهمية بمكان لتحديد الحد الأقصى لقوة الليزر التي يمكن استخدامها بأمان اتباع التعليمات الموجودة على خطوة 1.5. إذا إدخال متوسط الحجم المقدر وأي انحراف في خطوة 3.4.3 إلى وظيفة مناسبة لا يمكن أن لا تغطية شكل من الطيف رامان قياسه، وهو ما يعني أن المواد تحليلها يتكون من التوزيعات الفرعية. ثم كرر الخطوات 3.4.2 و3.4.3 مرة أخرى لإضافة قمم إضافية لتركيب. تحديد البون لا يتجزأالبان (الخطوة 3.4.7) لتوزيع حجم هي النقطة الحرجة آخر. حدود التكامل في دالة التوزيع تمثل أصغر وأكبر الأحجام في توزيع حجم النانوية. 1 نانومتر هو أصغر حجم ثابت لمعظم النظم النانوية. 17 وكمية تعتمد على حجم التحول يتناقص مع زيادة في حجم النانوية، تعيين الحد العلوي من التكامل إلى أي حجم الذي لا يحمل أي تحول في رامان الطيف (الخطوة 3.4.8). على سبيل المثال، سي البلاغات مع أحجام أكبر من 20 نانومتر لا يحمل أي تحول في الطيف رامان، أنها تشبه مثل السلوك بكميات كبيرة. 10،12 لذلك، لسي البلاغات تحديد الحدود العليا للتكامل مع أي حجم أكبر من و20 نانومتر لن تتغير النتيجة.
يصف PCM والتي تعتمد على حجم قمم رامان من البلورات النانوية من خلال التعبير تعقيدا. في الواقع، PCM يعتمد على تشتت الطاقة الصوتية، وظيفة الحبس، وVIBتردد التموينية، التي تعتمد جميعها ضمنيا على حجم، D. علاوة على ذلك، PCM هو لحجم معين، وتحديد حجم التوزيع، أنه لا بد من المتوقع إلى وظيفة التوزيع العامة والحصول على متكاملة على نطاق والحجم. هذا الإجراء هو معقد وحتى الآن، التجريبيون يستخدمون رامان الطيفي في الغالب لتحديد متوسط حجم سي البلاغات من التحول من رامان الذروة مقاسا. من ناحية أخرى، ومتعددة الجسيمات التحليلية PCM أننا formulized يحتوي على حجم، D، كمعلمة صريحة ويجعل من الممكن ليس فقط لتحديد حجم متوسط، ولكن أيضا توزيع كامل وتشكيل بطريقة بسيطة باستخدام رامان الطيفي.
كما لاحظت بالفعل، رامان الطيفي قادر على تحديد توزيع حجم البلورات النانوية في حدود الحبس، وهي عبارة عن 20 نانومتر لسي. لا يمكن تحليل أحجام أكبر للتوزيع حجمها لأنها لا تبدي size-ميزة تعتمد في رامان الطيف، أي لديهم الأشكال الذروة مماثلة ومناصب البلورية الأكبر سي. يحمل هذا القيد لأي نوع من نظام النانوية التي يسلك تعتمد على حجم ذروة التحول في الطيف رامان. ومع ذلك، يمكن الحد الحبس تختلف تبعا لنظام النانوية. على سبيل المثال، والحد من الحبس لقه البلاغات حوالي 15 نانومتر. 18
وهناك قلق خلال تحليل حجم البلورات النانوية هو التحول من القمم رامان من البلورات النانوية بسبب من الأسباب الثانوية، مما قد يؤدي إلى تفسيرات خاطئة حجم باستخدام رامان الطيفي. هذه الأسباب الثانوية التعديل الهيكلي (نمو الحبوب أو تغيير الشكل) من البلورات النانوية تحت قوة الليزر المفرطة خلال قياس رامان، والضغط الناجم عن المصفوفة، والتي هي جزء لا يتجزأ البلورات النانوية (إن وجدت). من أجل تجنب التسخين المفرط الليزر، وينصح لبدء القياس مع أدنى قوة الليزر الممكنة وزيادتهتدريجيا لإنشاء إشارة واضحة. طالما شكل الذروة والموقف يبقى مستقل مستقر للطاقة الليزر المستخدمة، فإنه يمكن اعتبار أن قوة الليزر المستخدمة في الحد الآمن. 13 وبالإضافة إلى ذلك، والحد من بعدها، توسيع التدفئة ذات الصلة القمم رامان هو ويعرف لوحظ في الأدب كما توسيع فانو. 12،19 طالما لم تصل إلى توسيع حدود فانو، النانوية لا تخضع لتعديلات التدفئة ذات الصلة. إذا كان المرتبطة بالتوتر ذروة التحول هو الحاضر، فإنه لا مفر منه، ويجب أن تمثل قبل تحديد تعتمد على حجم ذروة التحول. مقدار الضغط يمكن تحديد باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، حيث تحول في موقف الحيود الذروة هو مقياس الضغط. ويمكن بعد ذلك يتم احتساب الضغط المقدر في الطيف رامان مع إضافة عبارة ذروة التحول التي تعتمد على الضغط. 18 إذا لوحظ أي ضغط من XRD، التحليل المباشر للتوزيع حجم يمكن القيام بهامن الطيف رامان مقاسا. وبما أن جميع الجسيمات النانوية لديها هياكل مستقرة، كما لوحظ سابقا، راسخة 14 التبلور، ويتم استبعاد المخاوف ذات الصلة مع الهياكل البلورية الفقيرة من أجل تحليل رامان.
متعدد الجسيمات التحليلية PCM موضح في الشكل 2 مرنة من حيث وظيفة التوزيع وظيفة الحبس المستخدمة. على سبيل المثال، أي نوع من ظيفة التوزيع عامة يمكن استبدال مع وظيفة التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي، أي أنه يمكن أن يكون اللوغاريتمي الطبيعي، العادي، أو وظيفة لوجستية، ودون التأثير على وظيفة الطاقة الصوتية الحبس. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التحليلية PCM موضح في الشكل رقم 2 ج يمكن إعادة تعريف اعتمادا على نوع من المواد لاستخدامها. بعض النظم النانوية التي تظهر تعتمد على حجم رامان ذروة التحولات (بحيث التوزيعات حجمها يمكنكما يتم تحديدها باستخدام رامان الطيفي) وجنرال الكتريك-البلاغات، 20 سنو 2 -NCs، 21 تيو 2 -NCs و 22 و الماس البلاغات. 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).
