Charakterystyka rozkładu wielkości nanokryształów za pomocą spektroskopii Ramana z wielocząsteczkowym modelem uwięzienia fononów

Ogólnym celem tej procedury jest wykorzystanie spektroskopii ramana do szybkiego, niezawodnego i nieniszczącego wyznaczenia rozkładu wielkości nanocząstek. Osiąga się to poprzez uprzednie pozyskanie widma ramana badanych nanocząstek. Drugim krokiem jest analiza danych pomiarowych i zlokalizowanie w nich podrozkładów przy użyciu modelu wielocząsteczkowego ograniczenia fononowego.

Następnie wyznacza się średnią wielkość oraz współczynnik szerokości podrozkładów z dopasowanego modelu. Ostatnim krokiem jest wykorzystanie uzyskanych parametrów do określenia rzeczywistego rozkładu wielkości badanych nanocząstek. W końcowym etapie wykorzystuje się spektroskopię ramen, aby wykazać, że możliwe jest szybkie, wiarygodne i nieniszczące wyznaczenie rozkładu wielkości nanocząstek.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak transmisyjna mikroskopia elektronowa i dyfrakcja rentgenowska, jest to, że spektroskopia Ramana dostarcza szybkich i wiarygodnych wyników w sposób nieniszczący, a ponadto jest dostępna na żądanie w większości laboratoriów. Należy rozpocząć od syntezy wybranych nanokryształów. Następnie nanokryształy krzemu należy osadzić na szklanej podłożu, wykorzystując chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą.

W niniejszej procedurze syntetyzowane są nanokryształy krzemu o przybliżonym rozmiarze od 2 do 120 nanometrów i bimodalnym rozkładzie w zakresach od 2 do 10 nanometrów oraz od 40 do 120 nanometrów. Następnie włącz laser w układzie do spektroskopii ramen i odczekaj około 15 minut, aż się rozgrzeje, aby natężenie lasera ustabilizowało się; upewnij się, że laser i światła aktywne są wyłączone przed otwarciem drzwi, aby uniknąć niepożądanego naświetlenia działającym laserem. Następnie naciśnij przycisk otwarcia drzwi.

Zwolnij blokadę i otwórz drzwi komory pomiarowej. Umieść próbkę na stole uchwytu próbki. Wybierz obiektyw 50x i ustaw ostrość na powierzchni proszku nanokryształów.

Następnie zamknij drzwiczki komory pomiarowej. Potem usuń przesłonę, klikając przycisk „shutter out”. Sygnał laserowy powinien teraz migać na zielono, a sygnał aktywności na czerwono w obrazie na żywo. Dobrze.

Dostrój ostrość próbki za pomocą manipulatora kołowego, aż do uzyskania najmniejszej plamki laserowej na obrazie na żywo. Następnie z paska narzędzi pomiarowych wybierz opcję nowej akwizycji widmowej. W wyskakującym oknie ustaw zakres pomiarowy od 150 do 700 cm⁻¹. Ustaw czas pomiaru na 30 sekund, całkowitą liczbę akwizycji na dwa oraz moc lasera na 0,5% w stosunku do lasera o mocy 25 mW.

Następnie rozpocznij pomiar, klikając przycisk startu akwizycji na pasku menu. Po zakończeniu pomiaru zamknij migawkę, klikając przycisk zamykania migawki, a następnie zapisz dane zarówno jako plik A WXD, jak i plik TXT. Plik tekstowy zostanie wykorzystany do analizy danych eksperymentalnych.

Upewnij się, że kontrolki lasera oraz wskaźnik aktywności są wyłączone. Następnie naciśnij przycisk otwierania drzwi i otwórz drzwi komory pomiarowej. Następnie zmierz referencję materiału sypkiego nanostrukturalnego, powtarzając ten proces.

Używając próbki referencyjnej z pozycji piku materiału objętościowego, oszacuj przesunięcie względne. Przed wykreśleniem danych otwórz pliki tekstowe z pomiarami dla pomiaru nano Krystal oraz referencji objętościowej. Wygładź je, stosując funkcje sześcienne i splajny, a następnie znormalizuj dane do jedności w pozycjach ich najwyższych pików.

Aby uzyskać rzetelne porównanie względnych przesunięć piku, należy wykreślić dane dla nanokryształów krzemu oraz krzemu referencyjnego. Należy wyznaczyć pozycję piku krzemu referencyjnego i oszacować wartość przesunięcia, jeśli takie występuje, względem rzeczywistej pozycji piku wynoszącej 521 cm⁻¹. Następnie dane nanokryształów krzemu poddanych procesowi należy zapisać w formacie pliku TXT.

Następnie rozpocznij procedurę dopasowania. Wprowadź funkcję dopasowania pokazaną tutaj do programu analitycznego, takiego jak Mathematica. Upewnij się, że przedział dla skośności mieści się w zakresie od 0.1 do 1.0, a przedział średniego rozmiaru od 2 nm do 20 nm. W ramach procedury dopasowania najpierw zaimportuj znormalizowane i skorygowane dane jako dane wejściowe dla nieliniowego modelu dopasowania.

Używając polecenia import, naciśnij shift i enter, aby przeprowadzić procedurę dopasowania. Następnie wprowadź uzyskane wartości średniej wielkości oraz skośności do zdefiniowanej wcześniej ogólnej funkcji rozkładu przedstawionej tutaj. Na koniec zaznacz przedstawione tutaj równanie rozkładu wielkości i wykreśl rozkład wielkości od 2 do 15 nanometrów, używając polecenia plot, przyjmując te wartości jako dolną i górną granicę rozkładu.

Cząstki w przedstawionej tutaj próbce zostały zmierzone za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, co wykazało bimodalny rozkład wielkości nanocząstek. Małe nanocząstki miały wielkość od 2 do 10 nm, a duże nanocząstki od 40 do 120 nm. Analiza widma ramanowskiego potwierdza, że rozkład wielkości małych cząstek rzeczywiście mieści się w zakresie od 2 do 10 nm.

Stwierdzono, że rozkład był log-normalny ze średnią wielkością 4,2 nanometrów i skośnością wynoszącą 0,27. Spektroskopia Ramana jest idealną metodą do pomiaru niewielkich różnic w rozmiarze nanocząstek krzemu utworzonych przy użyciu dwóch różnych prędkości przepływu; gdy prędkość przepływu zwiększono z 3 standardowych centymetrów sześciennych na sekundę do 10, średnica cząstek spadła, a skośność nieznacznie wzrosła. Po opanowaniu tej techniki, badanie można przeprowadzić w zaledwie kilka minut, pod warunkiem właściwego wykonania procedury.