Name: Charakterystyka rozkładu wielkości nanokryształów za pomocą spektroskopii Ramana z wielocząsteczkowym modelem uwięzienia fononów (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-08-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: Poznaj metodę spektroskopii Ramana do szybkiej i nieinwazyjnej analizy rozkładu wielkości nanokryształów półprzewodnikowych. Model uwięzienia fononów zapewnia dokładne wyniki zgodne z mikroskopią elektronową.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była częścią programu badawczego Fundacji Podstawowych Badań nad Materią (FOM), która jest częścią Holenderskiej Organizacji Badań Naukowych (NWO). Autorzy tej pracy dziękują M. J. F. van de Sande za umiejętną pomoc techniczną, M. A. Verheijenowi za obrazy TEM oraz grupie Toma Gregorkiewicza za pomiary PL.

1. Planowanie eksperymentów
<ol>
	<li>Zsyntetyzować lub otrzymać interesujące nas nanokryształy13 (ryc. 1a).</li>
	<li>Unikaj pomyłek z sygnałem tła, upewniając się, że materiał podłoża nie ma nakładających się pików w widmie Ramana nanokryształów (rysunek 1a).</li>
	<li>Włącz laser w konfiguracji spektroskopii Ramana. Odczekaj wystarczająco dużo czasu (około 15 minut), aby intensywność lasera się ustabilizowała.</li>
	<li>Zmierz masowe odniesienie nanomateriału, który ma być poddany analizie12 (rysunek 1b), postępując zgodnie z etapami pomiaru opisanymi w kroku 2. Na podstawie pozycji piku materiału sypkiego należy oszacować względne przesunięcie12.</li>
	<li>Oszacuj wymaganą moc lasera do pomiarów Ramana przy użyciu różnych mocy nanokryształów, które mają być mierzone. Rozpocznij pomiar od najniższej możliwej mocy, aby uzyskać wystarczającą ilość sygnału (stosunek natężenia piku do szumu tła powinien wynosić co najmniej 50) i w razie potrzeby zwiększ moc lasera, o ile położenie i kształt piku Ramana nanokryształu pozostaną takie same12,13.</li>
</ol>
2. Spektroskopia Ramana interesującego nas nanokryształu
<ol>
	<li>Załadować próbkę z proszkiem nanokrystalicznym osadzonym na podłożu do komory pomiarowej. 
	Uwaga: Wymiary podłoża nie są krytyczne (mogą wynosić od milimetrów do kilkudziesięciu centymetrów), o ile pasuje do stolika na próbkę. Grubość proszku lub cienkiej warstwy powinna wynosić co najmniej kilkadziesiąt nanometrów, aby uzyskać wykrywalny sygnał ze spektroskopu Ramana. W przypadku etapu mocowania podłoża płaskiego wystarczy umieścić podłoże pod optyką (ilustracja 1b).
	<ol>
		<li>Upewnij się, że kontrolki "Laser" i "Aktywne" są wyłączone przed otwarciem drzwi, aby zabezpieczyć się przed niepożądanym oświetleniem działającego lasera. Jeśli te kontrolki nie są wyłączone, wykonaj czynności opisane w krokach 2.5 i 2.6. Znak "Interlock" zawsze pozostaje włączony.</li>
		<li>Naciśnij przycisk "Door Release" i otwórz drzwi komory pomiarowej, a następnie umieść sample na stoliku uchwytu próbki (Rysunek 1b).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dostosuj ogniskowanie mierzonej próbki, aby uzyskać najwyższy możliwy sygnał.
	<ol>
		<li>Wybierz obiektyw 50X i skup się na powierzchni proszku nanokrystalicznego (Rysunek 1b).</li>
		<li>Ustawić ostrość próbki za pomocą manipulatora kierunku z w uchwycie próbki. Sprawdź klarowność wyostrzonego obrazu z kamery na żywo view na ekranie komputera.</li>
		<li>Zamknij drzwiczki komory pomiarowej.</li>
		<li>Zdejmij migawkę, klikając przycisk "shutter-out" w oprogramowaniu Renishaw i pozwól, aby światło lasera padło na próbkę, która ma być mierzona. Zauważ, że znaki "Laser" i "Aktywny" teraz odpowiednio na zielono i na czerwono. Na obrazie na żywo z ekranu będzie widoczny laser (rysunek 1c).</li>
		<li>Na podstawie obrazu na żywo dostosuj ostrość próbki za pomocą manipulatora kół, aż na obrazie na żywo zostanie zaobserwowana najmniejsza plamka lasera, która jest najlepszą ostrością.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Skonfiguruj pomiar za pomocą oprogramowania analitycznego Renishaw zgodnie z poniższym opisem (Rysunek 1d).
	<ol>
		<li>Z opcji "Pomiar" wybierz nową opcję akwizycji spektralnej.</li>
		<li>W wyskakującym okienku ustaw zakres pomiarowy od 150 do 700 cm-1, ustaw czas pomiaru na 30 sekund, całkowitą liczbę akwizycji na 2x, a procent mocy lasera jako 0,5% (lasera 25 mW), który ma być wykorzystany podczas pomiaru. Zaakceptuj wstawione parametry, a okno zostanie zamknięte.</li>
		<li>Rozpocznij pomiar, klikając przycisk rozpoczęcia akwizycji na pasku menu. Podczas pomiaru kontrolki "Laser" i "Aktywny" pozostaną włączone.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Nie otwieraj komory pomiarowej, gdy te kontrolki są włączone, ponieważ laser pracuje i wykonywany jest pomiar.</li>
	<li>Po zakończeniu pomiaru włącz migawkę, klikając przycisk "wejście migawki" w oprogramowaniu Renishaw. Zwróć uwagę, że kontrolki "Lasera" i "Aktywnego" są wyłączone. Naciśnij "Door Release", a następnie otwórz drzwi komory pomiarowej.</li>
	<li>Przed wyjęciem próbki należy opuścić stolik uchwytu próbki za pomocą manipulatora z, aż będzie bezpieczna odległość między mierzoną próbką a powierzchnią soczewki powiększającej, aby usunąć próbkę. Następnie umieść próbkę z powrotem w pojemniku.</li>
	<li>Wyłącz laser.</li>
	<li>Zapisz dane w formacie oprogramowania Renishaw ".wxd" oraz w formacie pliku tekstowego ".txt". Te ostatnie zostaną wykorzystane do analizy danych doświadczalnych.</li>
</ol>
3. Wyznaczanie rozkładu wielkości interesującego nanokryształu
<ol>
	<li>Otwórz pliki tekstowe z pomiarami dla pomiaru nanokryształów oraz odniesienie zbiorcze.</li>
	<li>Przed wykreśleniem danych wygładź je za pomocą splajnu sześciennego i znormalizuj dane do 1 w ich najwyższych pozycjach szczytowych, aby uzyskać dobre porównanie względnych przesunięć szczytów.</li>
	<li>Wykreślić nanokryształ krzemu i dane krzemu referencyjnego, określić położenie piku krzemu referencyjnego i oszacować wielkość przesunięcia, jeśli występuje, od rzeczywistej pozycji piku wynoszącej 521 cm-1. 12 Następnie zapisz przetworzone dane nanokryształu krzemu jako plik .txt.</li>
	<li>Rozpocznij procedurę dopasowania.
	<ol>
		<li>Aby przeprowadzić procedurę dopasowania, wpisz funkcję dopasowania pokazaną na rysunku 2f do programu analitycznego, takiego jak Mathematica.</li>
		<li>Zaimportuj znormalizowane i poprawione dane jako dane wejściowe dla nieliniowego modelu dopasowania za pomocą polecenia "Importuj".</li>
		<li>Upewnij się, że przedział skośności wynosi od 0,1 do 1,0, a średni przedział wielkości mieści się w zakresie od 2 nm do 20 nm.</li>
		<li>W razie potrzeby wprowadzić dodatkowe piki pod zmierzony pik za pomocą funkcji dopasowania i powtórzyć kroki 3.4.2 i 3.4.3 w celu dopasowania do pozostałych podrozkładów.</li>
		<li>Naciśnij "Shift+Enter", aby wykonać procedurę dopasowania.</li>
		<li>Następnie należy wstawić uzyskane wartości średniej wielkości i skośności do wstępnie zdefiniowanej funkcji rozkładu ogólnego pokazanej na rysunku 2b.</li>
		<li>Następnie należy wstawić uzyskane wartości średniej wielkości D0 i skośności σ do wstępnie zdefiniowanej funkcji rozkładu ogólnego pokazanej na rysunku 2b.</li>
		<li>Ustawić dolną granicę całki na 1 nm. Ustaw górną granicę całkowania na dowolny rozmiar, który nie wykazuje żadnego przesunięcia w widmie Ramana (20 nm dla Si-NC)12.</li>
		<li>Zintegruj funkcję rozkładu na rysunku 2b jako funkcję wielkości nanokryształu, korzystając z definicji funkcji całkowej, programu do analizy i wykreślania danych, ustawiając dolne i wyższe rozmiary jako granice całki (1-20 nm dla Si-NC). Wykres Φ(D) w stosunku do D, aby uzyskać rozkład wielkości. Alternatywnie można znaleźć zestaw wartości Φ(D) dla każdej wartości D (na przykład od 1 do 20 nm dla Si-NC z przyrostem 1 nm) i wykreślić Φ(D) w funkcji D, czyli rozkład wielkości.</li>
		<li>Jeśli istnieje multimodalny rozkład wielkości, najpierw zdefiniuj szczyty, które mają być dopasowane do innych rozkładów wielkości. Następnie oszacuj ich ułamki objętościowe o różnych rozkładach wielkości względem siebie, najpierw znajdując obszary każdego piku uzyskane po dekonwolucji danych pomiarowych (z procedurą wyznaczania rozkładu wielkości), a następnie obliczając stosunek powierzchniowy każdego piku w odniesieniu do całkowitego piku Ramana.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Goller, B., Polisski, S., Wiggers, H., Kovalev, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Freestanding+spherical+silicon+nanocrystals%3A+A+model+system+for+studying+confined+excitons%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Freestanding spherical silicon nanocrystals: A model system for studying confined excitons.</a> Appl Phys Lett. 97 (4), 041110(2010).</li>
<li>Luo, J. -W., Franceschetti, A., Zunger, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carrier+multiplication+in+semiconductor+nanocrystals%3A+theoretical+screening+of+candidate+materials+based+on+band-structure+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+lett%22%5BJournal%5D)">Carrier multiplication in semiconductor nanocrystals: theoretical screening of candidate materials based on band-structure effects.</a> Nano lett. 8 (10), 3174-3181 (2008).</li>
<li>Govoni, M., Marri, I., Ossicini, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carrier+multiplication+between+interacting+nanocrystals+for+fostering+silicon-based+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Carrier multiplication between interacting nanocrystals for fostering silicon-based photovoltaics.</a> Nat. Photonics. 6 (September), 672-679 (2012).</li>
<li>De Boer, W. D. A. M., Gregorkiewicz, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Step-like+enhancement+of+luminescence+quantum+yield+of+silicon+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Step-like enhancement of luminescence quantum yield of silicon nanocrystals.</a> Nat nanotechnol. 6 (11), 1-4 (2011).</li>
<li>Sun, L., Choi, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bright+infrared+quantum-dot+light-emitting+diodes+through+inter-dot+spacing+control%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacing control.</a> Nat nanotechnol. 7 (6), 369-373 (2012).</li>
<li>Maier-Flaig, F., Rinck, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multicolor+Silicon+Light-Emitting+Diodes+%28SiLEDs%29%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+lett%22%5BJournal%5D)">Multicolor Silicon Light-Emitting Diodes (SiLEDs).</a> Nano lett. 13 (2), 1-6 (2013).</li>
<li>Patterson, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Scherrer+Formula+for+X-Ray+Particle+Size+Determination%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev%22%5BJournal%5D)">The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination.</a> Phys Rev. 56 (10), 978-982 (1939).</li>
<li>Borchert, H., Shevchenko, E. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+nanocrystal+sizes%3A+a+comparison+of+TEM%2C+SAXS%2C+and+XRD+studies+of+highly+monodisperse+CoPt3+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Determination of nanocrystal sizes: a comparison of TEM, SAXS, and XRD studies of highly monodisperse CoPt3 particles.</a> Langmuir. 21 (5), 1931-1936 (2005).</li>
<li>Heitmann, J., Müller, F., Zacharias, M., Gösele, U. Silicon Nanocrystals: Size Matters. Adv Mat. 17 (7), 795-803 (2005).</li>
<li>Faraci, G., Gibilisco, S., Russo, P., Pennisi, A., La Rosa, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modified+Raman+confinement+model+for+Si+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+B%22%5BJournal%5D)">Modified Raman confinement model for Si nanocrystals.</a> Phys Rev B. 73 (3), 1-4 (2006).</li>
<li>Zi, J., Büscher, H., Falter, C., Ludwig, W., Zhang, K., Xie, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Raman+shifts+in+Si+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Raman shifts in Si nanocrystals.</a> Applied Physics Letters. 69 (2), 200(1996).</li>
<li>Doğan, İ, van de Sanden, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+characterization+of+nanocrystal+size+distribution+using+Raman+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Direct characterization of nanocrystal size distribution using Raman spectroscopy.</a> J. Appl. Phys. 114, 134310(2013).</li>
<li>Doğan, I., Kramer, N. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh+throughput+plasma+processing+of+free+standing+silicon+nanocrystals+with+lognormal+size+distribution%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh throughput plasma processing of free standing silicon nanocrystals with lognormal size distribution.</a> J. Appl. Phys. 113, 134306(2013).</li>
<li>Doğan, İ, Weeks, S. L., Agarwal, S., van de Sanden, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nucleation+of+silicon+nanocrystals+in+a+remote+plasma+without+subsequent+coagulation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Nucleation of silicon nanocrystals in a remote plasma without subsequent coagulation.</a> J Appl Phys. 115 (24), 244301(2014).</li>
<li>Doğan, İ, Westermann, R. H. J., van de Sanden, M. C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+size+distribution+control+of+silicon+nanocrystals+in+a+spatially+confined+remote+plasma%5BTitle%5D)+AND+%22Plasma+Sources+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Improved size distribution control of silicon nanocrystals in a spatially confined remote plasma.</a> Plasma Sources Sci. Technol. 24, 015030(2015).</li>
<li>Delerue, C., Allan, G., Lannoo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+aspects+of+the+luminescence+of+porous+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+B%22%5BJournal%5D)">Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon.</a> Phys Rev B. 48 (15), 11024(1993).</li>
<li>Boufendi, L., Jouanny, M. C., Kovacevic, E., Berndt, J., Mikikian, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dusty+plasma+for+nanotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+D%3A+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Dusty plasma for nanotechnology.</a> J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (17), 174035(2011).</li>
<li>Wellner, A., Paillard, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+measurements+of+germanium+nanocrystals+embedded+in+silicon+oxide%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide.</a> J Appl Phys. 94 (2003), 5639-5642 (2003).</li>
<li>Faraci, G., Gibilisco, S., Pennisi, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+confinement+and+thermal+effects+on+the+Raman+spectra+of+Si+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Quantum confinement and thermal effects on the Raman spectra of Si nanocrystals.</a> Phys. Rev. B. 80 (19), 1-4 (2009).</li>
<li>Roodenko, K., Goldthorpe, I. A., McIntyre, P. C., Chabal, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modified+phonon+confinement+model+for+Raman+spectroscopy+of+nanostructured+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Modified phonon confinement model for Raman spectroscopy of nanostructured materials.</a> Phys. Rev. B. 82 (11), 115210(2010).</li>
<li>Diéguez, A., Romano-Rodrı́guez, A., Vilà, A., Morante, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+complete+Raman+spectrum+of+nanometric+SnO%5Bsub+2%5D+particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">The complete Raman spectrum of nanometric SnO[sub 2] particles.</a> J. Appl. Phys. 90 (3), 1550(2001).</li>
<li>Bersani, D., Lottici, P. P., Ding, X. -Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phonon+confinement+effects+in+the+Raman+scattering+by+TiO%5Bsub+2%5D+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Phonon confinement effects in the Raman scattering by TiO[sub 2] nanocrystals.</a> Appl. Phys. Lett. 72 (1), 73(1998).</li>
<li>Lipp, M., Baonza, V. G., Evans, W. J., Lorenzana, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanocrystalline+diamond%3A+Effect+of+confinement%2C+pressure%2C+and+heating+on+phonon+modes%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Nanocrystalline diamond: Effect of confinement, pressure, and heating on phonon modes.</a> Phys. Rev. B. 56 (10), 5978-5984 (1997).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Pierwszym punktem dyskusji są kluczowe kroki w ramach protokołu. Aby szczyty nie pokrywały się z materiałem będącym przedmiotem zainteresowania, ważne jest, aby użyć innego rodzaju materiału podłoża, jak wspomniano w kroku 1.2. Na przykład, jeśli interesujące są Si-NC, nie używaj podłoża krzemowego do pomiarów Ramana. Na przykład na rysunku 1a Si-NC zsyntetyzowano na podłożach z pleksi, które mają całkowicie płaski sygnał mniej więcej w zakresie zainteresowania, tj.<...

Nanokryształy półprzewodnikowe przyciągają uwagę, ponieważ ich właściwości elektroniczne i optyczne można po prostu dostroić, zmieniając ich rozmiar w zakresie w porównaniu do odpowiednich promieni ekscytonu-Bohra. 1 Te unikalne cechy zależne od wielkości sprawiają, że nanokryształy te są odpowiednie dla różnych zastosowań technologicznych. Na przykład efekty namnażania nośników, obserwowane, gdy foton o wysokiej energii jest absorbowany przez nanokryształy CdSe, Si i Ge, można wykorzystać w koncepcji konwersji widma w zastosowaniach ogniw słonecznych; W zastosowaniach diod elektroluminescencyjnych (LED) można stosować emisję optyczną 2–4 lub zależną od wielkości z PbS-NC i Si-NC. 5,6 Precyzyjna wiedza i kontrola rozkładu wielkości nanokryształów będą zatem odgrywać decydującą rolę w niezawodności i wydajności tych zastosowań technologicznych opartych na nanokryształach.
Powszechnie stosowane techniki analizy rozkładu wielkości i morfologii nanokryształów mogą być wymienione jako dyfrakcja rentgenowska (XRD), transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), spektroskopia fotoluminescencyjna (PL) i spektroskopia Ramana. XRD to technika krystalograficzna, która ujawnia informacje morfologiczne analizowanego materiału. Na podstawie poszerzenia piku dyfrakcyjnego możliwe jest oszacowanie wielkości nanokryształu,7 jednak uzyskanie jednoznacznych danych jest zwykle czasochłonne. Co więcej, XRD może umożliwić jedynie obliczenie średniego rozkładu wielkości nanokryształów. Ze względu na istnienie multimodalnych rozkładów wielkości, analiza wielkości za pomocą XRD może być myląca i prowadzić do błędnych interpretacji. TEM to potężna technika, która umożliwia obrazowanie nanokryształów. 8 Chociaż TEM jest w stanie ujawnić obecność poszczególnych rozkładów w multimodalnym rozkładzie wielkości, kwestia przygotowania próbki jest zawsze wysiłkiem, który należy poświęcić przed pomiarami. Ponadto praca nad gęsto upakowanymi zespołami nanokryształów o różnych rozmiarach jest trudna ze względu na trudność obrazowania poszczególnych nanokryształów. Spektroskopia fotoluminescencyjna (PL) jest techniką analizy optycznej, dzięki której można zdiagnozować optycznie aktywne nanokryształy. Rozkład wielkości nanokryształów uzyskuje się z emisji zależnej od wielkości. 9 Ze względu na słabe właściwości optyczne nanocząstek o pośrednim paśmie wzbronionym, duże nanokryształy, które nie podlegają efektom uwięzienia, oraz małe nanokryształy bogate w defekty nie mogą być wykryte przez PL, a obserwowany rozkład wielkości jest ograniczony tylko do nanokryształów o dobrych właściwościach optycznych. Chociaż każda z tych technik ma swoje zalety, żadna z nich nie jest w stanie spełnić oczekiwań (tj. być szybka, nieniszcząca i niezawodna) i wyidealizowanej techniki analizy rozmiarów.
Innym sposobem analizy rozkładu wielkości nanokryształów jest spektroskopia Ramana. Spektroskopia Ramana jest powszechnie dostępna w większości laboratoriów i jest szybką i nieniszczącą techniką. Ponadto w większości przypadków przygotowanie próbki nie jest wymagane. Spektroskopia Ramana jest techniką oscylacyjną, która może być wykorzystana do uzyskania informacji o różnych morfologiach (krystalicznej lub amorficznej) oraz informacji związanych z wielkością (z zależnego od wielkości przesunięcia modów fononowych, które pojawiają się w widmie częstotliwości) analizowanego materiału. 10 Unikalną cechą spektroskopii Ramana jest to, że podczas gdy zmiany zależne od wielkości obserwuje się jako przesunięcie w widmie częstotliwości, kształt piku fononowego (poszerzenie, asymetria) dostarcza informacji o kształcie rozkładu wielkości nanokryształów. W związku z tym w zasadzie możliwe jest wydobycie niezbędnych informacji, tj. średniej wielkości i współczynnika kształtu, z widma Ramana w celu uzyskania rozkładu wielkości analizowanych nanokryształów. W przypadku multimodalnych rozkładów wielkości poddystrybucje mogą być również oddzielnie identyfikowane poprzez dekonwolucję eksperymentalnego widma Ramana.
W literaturze powszechnie mówi się o dwóch teoriach modelujących wpływ rozkładu wielkości nanokryształów na kształt widma Ramana. Model polaryzowalności wiązań (BPM)11 opisuje polaryzowalność nanokryształu na podstawie wkładu wszystkich wiązań w tym rozmiarze. Model uwięzienia jednocząsteczkowych fononów (PCM)10 wykorzystuje zmienne fizyczne zależne od wielkości, tj. moment pędu kryształu, częstotliwość i dyspersję fononów oraz stopień zamknięcia, w celu zdefiniowania widma Ramana nanokryształu o określonej wielkości. Ponieważ te zmienne fizyczne zależą od rozmiaru, można zdefiniować analityczną reprezentację PCM, którą można jawnie sformulować jako funkcję wielkości nanokryształu. Rzutowanie tego wyrażenia na ogólną funkcję rozkładu wielkości będzie zatem w stanie uwzględnić wpływ rozkładu wielkości w obrębie PCM, który można wykorzystać do określenia rozkładu wielkości nanokryształów na podstawie eksperymentalnego widma Ramana. 12

<table><tbody><tr><td>Spektroskopia Ramana</td><td>Renishaw</td><td>In Via</td><td>Wyposażony w laser arionowy 514 nm</td></tr><tr><td>Drut 3.0</td><td>Narzędzie do zapisu spektroskopii ramanowskiej</td><td>Renishaw</td><td></td></tr><tr><td>Mathematica</td><td>Wolfram</td><td></td><td>Do dopasowania, funkcji i określania rozmiaru</td></tr><tr><td>Podłoże</td><td></td><td></td><td>Pleksiglas (aby uniknąć zbieżności sygnału z Si-NCs)</td></tr><tr><td>Wafel</td><td></td><td></td> <td>SiOdniesienie do pozycji piku Si-NC</td></tr><tr><td>Spektroskopia</td><td></td><td></td> fotoluminescencyjna <td>334 nm Ar laser. Do optycznego rozkładu wielkości.</td></tr><tr><td>Transmisyjna mikroskopia elektronowa</td><td></td><td></td><td>Natężenie wiązki 300 kV. Do określania wielkości i morfologii nanokryształów.</td></tr></tbody></table>

charakterystyka rozkładu wielkości nanokryształów za pomocą spektroskopii ramana z wielocząsteczkowym modelem uwięzienia fononów

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Analiza rozkładu wielkości nanokryształów jest krytycznym wymogiem dla przetwarzania i optymalizacji ich właściwości zależnych od wielkości. Powszechnie stosowanymi technikami analizy wielkości są transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), dyfrakcja rentgenowska (XRD) i spektroskopia fotoluminescencyjna (PL). Techniki te nie nadają się jednak do analizy rozkładu wielkości nanokryształów w szybki, nieniszczący i jednocześnie niezawodny sposób. Naszym celem w tej pracy jest wykazanie, że rozkład wielkości nanokryształów półprzewodnikowych, które podlegają zależnym od wielkości efektom uwięzienia fononów, można ilościowo oszacować w nieniszczący, szybki i wiarygodny sposób za pomocą spektroskopii Ramana. Co więcej, mieszane rozkłady wielkości mogą być oddzielnie sondowane, a ich odpowiednie stosunki objętościowe można oszacować za pomocą tej techniki. Aby przeanalizować rozkład wielkości, sformowaliśmy analityczne wyrażenie jednocząsteczkowego PCM i rzutowaliśmy je na ogólną funkcję rozkładu, która będzie reprezentować rozkład wielkości analizowanego nanokryształu. W ramach eksperymentu modelowego przeanalizowaliśmy rozkład wielkości wolnostojących nanokryształów krzemu (Si-NC) z multimodalnymi rozkładami wielkości. Szacowane rozkłady wielkości są doskonale zgodne z wynikami TEM i PL, co świadczy o wiarygodności naszego modelu.

Aby wykorzystać spektroskopię Ramana jako narzędzie do analizy wielkości, niezbędny jest model pozwalający wyodrębnić informacje dotyczące rozmiaru z pomiarowego widma Ramana. Rysunek 2 podsumowuje analityczny model uwięzienia fononów w układzie wielocząsteczkowym.12 Funkcja uwięzienia fononów zależna od wszystkich rozmiarów (Rysunek 2c) jest rzutowana na generyczną funkcję rozkładu wielkości (Rysunek ...

Pokazujemy, jak określić rozkład wielkości nanokryształów półprzewodnikowych w sposób ilościowy za pomocą spektroskopii Ramanowskiej, wykorzystując analitycznie zdefiniowany model uwięzienia wielocząsteczkowych fononów. Uzyskane wyniki są doskonale zgodne z innymi technikami analizy wielkości, takimi jak transmisyjna mikroskopia elektronowa i spektroskopia fotoluminescencyjna.

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

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

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.

characterization-nanocrystal-size-distribution-using-raman

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykazano, że pęsety plazmoniczne oraz nanostruktury kryształów fotonicznych zapewniają istotną poprawę wydajności i kontroli orientacji w optycznym chwytaniu mikro- i nanocząstek.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

Artykuł opisuje metodę wytwarzania ekstremalnych nanodrutów poprzez infiltrację stopionych nanorurek węglowych oraz jak systemy 1D mogą być charakteryzowane i badane za pomocą rezonansowej spektroskopii Ramana w celu określenia energii wzbudzenia drgań i optyki.

Rezonansowa spektroskopia Ramana ekstremalnych nanodrutów i innych systemów 1D

Manuskrypt opisuje metodę quasi-rezonansowej spektroskopii fluorescencyjnej wspomaganej fononem, która obejmuje zarówno spektroskopię o ograniczonej rozdzielczości laserowej, jak i spektroskopię fotoluminescencji (PL). Metoda ta wykorzystuje fonony optyczne do zapewnienia widm o ograniczonej szerokości linii struktur półprzewodnikowych podobnych do atomów w domenie energetycznej. Metodę tę można również łatwo zrealizować za pomocą pojedynczej konfiguracji spektrometru spektroskopii optycznej.

Spektroskopia fluorescencyjna quasi-rezonansowa wspomagana fononami o wysokiej rozdzielczości

Przedstawiono metodę funkcjonalizacji nanorurek węglowych z polimerowymi warstwami enkapsulacyjnymi o zmiennej strukturze oraz charakterystyki strukturalnej za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem.

Funkcjonalizacja jednościennych nanorurek węglowych z termoodwracalnymi kopolimerami blokowymi i charakterystyka za pomocą rozpraszania neutronów pod małym kątem

Przedstawiono tutaj proces produkcji mikroprocesorów, który wykorzystuje plazmoniczną pęsetę. Mikroczip umożliwia obrazowanie uwięzionej cząstki w celu zmierzenia maksymalnych sił wychwytywania.

Pułapkowanie plazmoniczne i uwalnianie nanocząstek w środowisku monitorowania

Ten artykuł zawiera szczegółową metodę charakteryzowania mikrostruktury ultra-drobnoziarnistych i nanokrystalicznych materiałów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego wyposażonego w standardowy system dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych. Stopy metali i minerały o wyrafinowanej mikrostrukturze są analizowane przy użyciu tej techniki, ukazując różnorodność jej możliwych zastosowań.

Charakterystyka materiałów ultradrobnoziarnistych i nanokrystalicznych z wykorzystaniem transmisyjnej dyfrakcji Kikuchiego

Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

Dostarczamy protokoły i reprezentatywne dane do projektowania, montażu i charakteryzowania miceli kompleksu polielektrolitowego, nanocząstek typu rdzeń-powłoka tworzonych przez polielektrolity i hydrofilowe naładowane-nienaładowane kopolimery blokowe.

Montaż i charakterystyka miceli kompleksu polielektrolitu

Ten protokół opisuje zastosowanie mikroskopii sił atomowych i nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni do oceny wydajności fototermicznej spektroskopii w podczerwieni w nanoskali w charakterystyce trójwymiarowych próbek wielopolimerowych.

Postępy w nanoskalowej spektroskopii w podczerwieni w celu zbadania wielofazowych układów polimerowych

Poznaj metodę spektroskopii Ramana do szybkiej i nieinwazyjnej analizy rozkładu wielkości nanokryształów półprzewodnikowych. Model uwięzienia fononów zapewnia dokładne wyniki zgodne z mikroskopią elektronową.

Charakterystyka rozkładu wielkości nanokryształów za pomocą spektroskopii Ramana z wielocząsteczkowym modelem uwięzienia fononów (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów