多粒子フォノン閉じ込めモデルとラマン分光法を用いて、ナノ結晶のサイズ分布の特性

本手順の目的は、ラマン分光法を用いて、迅速、確実かつ非破壊的な方法でナノ粒子のサイズ分布を決定することです。まず、対象となるナノ粒子のラマンスペクトルを取得します。次に、測定データを解析し、多粒子フォノン閉じ込めモデルを用いて、データ内のサブ分布を特定します。

次に、適合モデルからサブ分布の平均サイズと幅係数を決定します。最終ステップでは、得られたパラメータを用いて、目的とするナノ粒子の実際の粒度分布を決定します。最終的に、ラマン分光法を用いて、ナノ粒子の粒度分布を迅速かつ信頼性の高い非破壊的な方法で決定できることを示します。

透過電子顕微鏡やX線回折などの既存の手法と比較した本手法の主な利点は、ラマン分光法が非破壊的に迅速かつ信頼性の高い結果を提供し、ほとんどの研究室でオンデマンドに利用可能であることです。まず、目的のナノ結晶を合成します。プラズマ励起化学気相成長法を用いて、シリコンナノ結晶をガラス基板上に堆積させます。

ここでは、約2〜120 nmのサイズで、2〜10 nmおよび40〜120 nmの範囲にバイモーダル分布を持つシリコンナノ結晶を合成します。次に、ラマン分光装置のレーザーをオンにし、レーザー強度が安定するまで約15分間ウォームアップさせます。動作中のレーザーによる不要な照射から身を守り安全を確保するため、ドアを開ける前に必ずレーザーとアクティブライトがオフになっていることを確認してください。その後、ドアボタンを押します。

測定室のドアを解除して開きます。サンプルをサンプルホルダーステージの上に配置します。50倍の対物レンズを選択し、ナノ結晶粉末の表面に焦点を合わせます。

次に、測定室のドアを閉めます。続いて、「shutter out」ボタンをクリックしてシャッターを開きます。ライブ画像で、レーザー標識が緑色に点滅し、アクティブ標識が赤色に点滅することを確認してください。

ライブ画像上でレーザースポットが最小になるまで、ホイールマニピュレーターを使用してサンプルのフォーカスを調整します。次に、測定ツールバーから新しいスペクトル収集オプションを選択します。ポップアップウィンドウで、測定範囲を150から700 inverse centimetersの間に設定します。測定時間を30秒に、総収集回数を2回に、レーザー出力を25 milliwattレーザーに基づき0.5%に設定します。

次に、メニューバーの測定開始ボタンをクリックして測定を開始します。測定終了後、シャッター挿入ボタンをクリックしてシャッターを閉じ、データをA WXDファイルとTXTファイルの両方で保存します。このテキストファイルは、実験データの解析に使用されます。

レーザーおよびアクティブのランプが消灯していることを確認してください。次に、ドアリリースを押し、測定室のドアを開けます。その後、この手順を繰り返して、ナノ材料のバルクリファレンスを測定します。

バルク材料のピーク位置から得られた参照サンプルを用いて、相対シフトを推定します。まず、データをプロットする前に、nano Krystal測定およびバルク参照の測定テキストファイルを開きます。3次スプラインを用いて平滑化し、最高ピーク位置でデータが1になるように正規化します。

相対的なピークシフトを適切に比較するため、シリコンナノ結晶と参照用シリコンのデータをプロットします。参照用シリコンのピーク位置を特定し、実際のピーク位置である521 inverse centimetersからのシフト量（ある場合）を推定します。その後、処理済みのシリコンナノ結晶データをTXTファイルとして保存します。

次に、フィッティングの手順を開始します。ここに示したフィッティング関数を、Mathematicaなどの解析プログラムに入力してください。歪度の範囲が0.1から1.0の間であり、平均サイズの範囲が2 nmから20 nmの間であることを確認してください。フィッティングの手順では、まず、正規化および補正済みのデータを非線形フィッティングモデルの入力としてインポートします。

importコマンドを使用し、ShiftキーとEnterキーを同時に押してフィッティング手順を実行します。その後、得られた平均サイズと歪度の値を、ここに示す定義済みの汎用分布関数に挿入します。最後に、ここに示すサイズ分布式を選択し、plotコマンドを用いて分布の下限および上限を2 nmから15 nmに設定し、サイズ分布をプロットします。

ここで示されたサンプルの粒子を透過電子顕微鏡で測定したところ、ナノ粒子のサイズ分布がバイモーダル（二峰性）であることが分かりました。小さなナノ粒子は2〜10 nmであり、大きなナノ粒子は40〜120 nmでした。ラマン分光分析の結果から、小さな粒子のサイズ分布が実際に2〜10 nmの範囲にあることが明らかになりました。

分布は対数正規分布であり、平均粒径は4.2 nanometers、歪度は0.27であることが判明しました。Raman分光法は、2つの異なる流量で形成されたシリコンナノ粒子のわずかなサイズ差を測定するのに最適な手法です。流量を3 standard cubic centimeters per secondから10に増加させると、平均粒子径は低下し、歪度はわずかに増加しました。この手法を習得すれば、適切に実施することでわずか数分で完了させることができます。