Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Характеристика нанокристаллов распределении размеров с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с нескольких частиц фононов конфайнмента модели

Published: August 22, 2015 doi: 10.3791/53026
Automatic Translation
1, 1,2
1Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, 2Dutch Institute for Fundamental Energy Research

Summary

Мы показываем, как определить распределение по размерам полупроводниковых нанокристаллов в количественном выражении с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния, использующего аналитически определенный фононов удержания модель мульти-частиц. Результаты, полученные в отличном согласии с другими методами анализа размера, как просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции спектроскопии.

Abstract

Анализ распределения размера нанокристаллов является критическим требованием для обработки и оптимизации их размера зависит от свойств. Общие методы, используемые для анализа размера просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновской дифракции (XRD) и фотолюминесценции спектроскопии (PL). Эти методы, однако, не пригодны для анализа распределения по размерам в нанокристаллической быстро, неразрушающего и надежным образом в то же время. Наша цель в этой работе, чтобы продемонстрировать, что распределение по размерам полупроводниковых нанокристаллов, которые подлежат размера-зависимых эффектов фононного конфайнмента, могут быть количественно оценены в неразрушающего, быстрый и надежный способ с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Кроме того, распределение смешанного размера могут быть отдельно исследовали, и их соответствующие объемные соотношения могут быть оценены с помощью этой техники. Для того чтобы проанализировать распределение по размерам, мы formulized аналитическое выражение в PCM один частиц и рrojected его на родовой функции распределения, которая будет представлять распределение размера анализируемого нанокристалле. В модельном эксперименте, мы проанализировали распределение по размерам свободно стоящих нанокристаллов кремния (Si-НК) с распределениями мультимодальных размера. По оценкам распределения размера находятся в отличном согласии с ТЕА и PL результатов, выявление надежность нашей модели.

Introduction

Полупроводниковых нанокристаллов обратить внимание, как их электронные и оптические свойства могут быть настроены, просто изменяя их размер в диапазоне по сравнению с их соответствующей экситон-Бора радиусов. 1 Эти уникальные размер зависит от особенности делают эти нанокристаллы актуальны для различных технологических приложений. Например, эффекты умножения несущей, наблюдается при высокой энергии фотонов поглощается нанокристаллов CdSe, Si, и Ge, могут быть использованы в концепции преобразования спектра в системах солнечных батарей; 2 - 4 или размер зависящих оптическое излучение от PBS-НК и Si-НК может быть использован в светодиодах (LED) приложений. 5,6 точного знания и контроль над распределением по размерам нанокристаллов, следовательно, будет играть определяющую роль на надежность и производительность этих приложений на базе технологических на нанокристаллов.

Обычно используемые методы для Размер Distribution и морфология анализ нанокристаллов могут быть перечислены как рентгеновской дифракции (XRD), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), ФЛ-спектроскопии (PL), и спектроскопии комбинационного рассеяния света. РСА является кристаллографической метод, который показывает информацию морфологический анализируемого материала. Из уширения дифракционного пика, оценка размера нанокристаллов можно, 7 однако, получение четкого данные, как правило, отнимает много времени. Кроме того, РСА может обеспечить возможность расчета среднего распределения размера нанокристаллов только. В существовании распределений мультимодальных размера, анализ размера с РСА может ввести в заблуждение и привести к неправильным толкованиям. ТЕМ является мощная техника, которая позволяет визуализацию нанокристаллов. 8 Хотя ТЕМ способен выявить наличие отдельных распределений в мультимодальной распределения размера, вопрос подготовки образца всегда усилия будут потрачены перед измерениями. Кроме того, работая на плотно упакованную нанохрустальные ансамбли с различных размеров является сложной задачей из-за трудности индивидуального изображений нанокристаллов. ФЛ-спектроскопии (PL) является метод оптического анализа, и оптически активные нанокристаллы могут быть диагностированы. Распределение размера нанокристаллов получается из размера зависит от излучения. 9 Из-за их бедных оптических свойств непрямой запрещенной наночастиц группы, большие нанокристаллов, которые не подлежат аресту эффекты, и дефектных богатых малых нанокристаллов не могут быть обнаружены с помощью PL и наблюдаемого размера распределение ограничивается только нанокристаллов с хорошими оптическими свойствами. Хотя каждый из этих методов вышеназванных имеет свои преимущества, ни один из них не имеет возможности удовлетворения ожиданий (то есть, будучи быстро, неразрушающего и надежные) с идеализированным и методика анализа размера.

Другой средством распределения размера нанокристаллов анализа является спектроскопия комбинационного рассеяния. Спектроскопия комбинационного рассеяния широко доступныВ большинстве лабораторий, и это быстрый и неразрушающий метод. Кроме того, в большинстве случаев, подготовка образца не требуется. Спектроскопия комбинационного рассеяния является колебательной техники, которые могут быть использованы для получения информации о различной морфологии (кристаллических или аморфных), и размер информации, связанной с (с размерно-зависимой сдвига в фононных мод, которые появляются в частотном спектре) анализируемого материала . 10 Уникальность спектроскопии комбинационного рассеяния является то, что, в то время как размер зависит от изменения наблюдаются как сдвиг в спектре частот, форма пика фононов (уширения, асимметрии) дает информацию о форме распределения размера нанокристаллов. Поэтому, в принципе, можно извлечь необходимую информацию, то есть средний размер и коэффициент формы, от комбинационного спектра, чтобы получить распределение по размерам нанокристаллов проанализированы. В случае распределений мультимодальных размера суб-распределений могут быть также определены с помощью отдельно deconvoluния экспериментального спектра комбинационного рассеяния.

В литературе, две теории обычно называют модели эффект распределения размера нанокристаллов на форму спектра комбинационного рассеяния. Модель поляризуемость связи (BPM), 11 описывает поляризуемость нанокристалле из взносов всех связей внутри этого размера. Модель фононов заключение один частиц (PCM) 10 использует размер зависит от физических переменных, т.е. кристалл импульс, фононов частоты и дисперсию, и степень удержания, чтобы определить спектр КРС нанокристалле с определенного размера. Так как эти физические величины зависят от размера, аналитическое представление ИКМ, которые могут быть явно formulized как функцию размера нанокристаллов могут быть определены. Поэтому проектирование это выражение на общей функции распределения по размерам смогут учесть влияние гранулометрического в РСМ, которые могут быть использованы для определения nanocrystal распределение размера из экспериментального спектра комбинационного рассеяния. 12

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Планирование экспериментов

  1. Обобщить или получить нанокристаллы интерес 13 (рис 1а).
  2. Во избежание путаницы с фонового сигнала, убедившись, что материал подложки не имеет перекрытия пиков в спектре комбинационного рассеяния нанокристаллов (рис 1а).
  3. Включите лазер установки спектроскопии комбинационного рассеяния. Подождите достаточно времени (примерно 15 мин) для интенсивности лазерного луча, чтобы стабилизировать.
  4. Мера объемной ссылка наноматериала быть проанализированы 12 (рис 1b), следуя шагам, описанным в измерительных Шаг 2. Из положения пика сыпучего материала, оценить относительный сдвиг 12.
  5. Оцените необходимую мощность лазера для измерения комбинационных использованием различных полномочий, по нанокристаллов будет измеряться. Начните измерения с самой низкой возможной мощности, чтобы получить достаточно сигнала (отношение пиковой интенсивности вФоновый шум должен быть по крайней мере 50), и увеличить мощность лазера при необходимости, до тех пор, как положения и формы нанокристалла комбинационного пика остается такой же 12,13.

2. спектроскопия комбинационного рассеяния нанокристалла интересов

  1. Загрузка образца с порошка нанокристаллов нанесенных на подложку в измерительную камеру.
    Примечание: Размеры подложки не являются критическими (может быть от миллиметров до десятков сантиметров) до тех пор, как он подходит к стадии держателя образца. Порошок или тонкий толщина пленки должна быть не менее десятков нанометров, чтобы обнаруживаемый сигнал от комбинационного спектроскопа. Для стадии держателя плоскую подложку, просто лежал на подложку под оптику (рис 1b).
    1. Убедитесь, что «лазер» и «Активные» фары выключены, прежде чем открыть дверь, чтобы быть в безопасности от нежелательного освещения операционного лазера. Если эти огни не прочь, выполнить действия в шагах 20,5 и 2,6. Знак "Блокировка" всегда остается на.
    2. Нажмите "Дверь релиз" и откройте дверь камеры измерения, и положить образец на стадии держатель образца (рис 1b).
  2. Отрегулируйте фокусировку образца должна быть измерена, чтобы получить максимально возможную сигнал.
    1. Выберите 50X цель и сосредоточиться на поверхности нанокристаллов порошка (рис 1b).
    2. Принесите образец под упором с помощью г-направление манипулятор держателя образца. Проверьте чистоту сфокусированного изображения из живой вид из камеры на экране компьютера.
    3. Закройте дверь камеры измерения.
    4. Снимите затвор, нажав на кнопку "затвора" из программного обеспечения Renishaw, и пусть блеск лазерный луч на образце необходимо измерить. Заметим, что "Лазер" и "Активные" признаки Теперь мигать зеленым и мигает красным, соответственно. В живой изображение из хCreen, лазер будет видимым (рис 1в).
    5. От живого изображения, тонкая настройка фокусировки образца с помощью колеса манипулятора до наименьшее пятно лазера, который является лучшим фокус, не наблюдается на живого изображения.
  3. Настройка измерения с помощью программного обеспечения Renishaw анализа, как описано ниже (рис 1D).
    1. От "измерения" выберите новый вариант спектрального приобретения.
    2. Из всплывающего окна, установите диапазон измерения от 150 до 700 см - 1, установите время для измерения, как 30 сек, от общего числа приобретения как 2x и процент от мощности лазера в 0,5% (в А 25 мВт лазер), которые будут использоваться во время измерения. Принять параметры вставлена, и окно будет закрыто.
    3. Начните измерение, нажав на кнопку пуска приобретения в меню-баре. Во время измерения "Лазер" и "Активные" фары останутсяна.
  4. Не открывайте измерительную камеру, когда эти огни на, как лазер в эксплуатации и измерения выполняются.
  5. После завершения измерения, поставить затвор в нажав кнопку "затвор в" кнопку в программном обеспечении Renishaw. Заметим, что огни "Laser" и "Активный" выключены. Нажмите "Дверь релиз", а затем открыть дверь камеры измерения.
  6. Перед тем как образец из, снизить этап держатель образца с Z-манипулятора, пока не будет безопасное расстояние между измеренной пробы и поверхностью увеличительным стеклом, чтобы удалить образец. Затем положить образец обратно контейнера.
  7. Выключите лазер.
  8. Сохранить данные в формате программного обеспечения Renishaw, ".wxd", так и в формате текстового файла, ".txt". Последнее будет использоваться для анализа экспериментальных данных.

3. Размер раздачиионная Определение нанокристалла интересов

  1. Откройте текстовые файлы измерений для измерения нанокристаллов и объемную ссылку.
  2. Перед заговоре данные, сгладить их помощью кубического сплайна, и нормализовать данные по 1 на их высокий пик позиции для того, чтобы иметь хорошее сравнение относительных сдвигов пиков.
  3. Участок данных кремния нанокристаллов и опорный кремния, определить пиковое значение отсчета кремния, и оценить величину смещения, если таковые имеются, от фактического положения пика 521 см -1. 12 Тогда сохранения обработанных данных кремния нанокристаллов как .txt подать.
  4. Начните процедуру подгонки.
    1. Для подгонки, введите функцию подгонки показанной на рис 2f в программу анализа, таких как Mathematica.
    2. Импорт нормированные и скорректированные данные в качестве входных данных для нелинейного фитинга модели, используя команду "Импорт".
    3. Убедитесь, что в интервалеДля асимметрии между 0,1 и 1,0, а интервал средний размер между 2 нм и 20 нм.
    4. При необходимости, вставить дополнительный пик (ы) под измеренной пика с помощью фитинга функцию и повторите шаги 3.4.2 и 3.4.3, чтобы соответствовать другим подразделам распределение (ы).
    5. Нажмите "Shift + Enter", чтобы выполнить процедуру подгонки.
    6. После этого, вставьте полученные значения для размера средней и асимметрии в функции общего распределения заранее определенного показанной на рис 2b.
    7. После этого вставить полученные значения для среднего размера, D 0, и асимметрии, а, в зависимости общего распределения заранее определенного показанном на фиг.2b.
    8. Установите нижнюю границу интеграла в 1 нм. Установите верхний предел интегрирования до любого размера, который не проявляет какой-либо сдвиг в спектре комбинационного рассеяния (20 нм для Si-НК) 12.
    9. Интеграция функции распределения на рис 2b Φ (D) против D, чтобы дать распределение по размерам. Кроме того, найти множество Ф (D) значений для каждого значения D (например, от 1 до 20 нм для Si-НК с шагом 1 нм) и участок Φ (D) против D, который является размер Распределение.
    10. Если мультимодальный распределение размера существует, сначала необходимо определить пики быть приспособлены для других дистрибутивов размера. Затем оценить их объемных долей различных распределений размеров относительно друг друга сначала найти области каждого полученных после деконволюции данных измерений (с процедуры определения распределения по размерам) пики и затем вычисления поверхностную соотношение каждого пика по отношению к общая пиковая комбинационного рассеяния.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Для использования спектроскопии комбинационного рассеяния в качестве инструмента анализа размер, модель, чтобы извлечь информацию о размере, связанных с от измеренного спектра комбинационного рассеяния необходимо. Рисунок 2 обобщает аналитическую фононов удержания модель мульти-частиц. 12 Все-размер-зависимую функцию фононов удержания (рис 2 с), по прогнозам на родовой функции распределения по размерам (рис 2 б), который выбран в качестве функции распределения логарифмически нормального. Учитывая амплитуды (рисунок 2 д), полную ширину на половине максимума (рисунок 2 е) и сдвига частоты (рис 2 F) значение, эта модель может быть успешно использована для определения распределения по размерам.

Рисунок 3 предусматривает использование нескольких частейicle фононов заключение модель для определения распределения по размерам Si-НК (подробности будут следовать). Si-НК используется в этом анализе есть бимодальное распределение по размерам малых и больших Si-НК, как показано в ПЭМ изображения. 13 Согласно анализу размера ТЕА (не показан здесь), небольшие Si-НК имеют распределение в диапазоне 2- 10 нм, а большие Si-НК имеют распределение в диапазоне 40-120 нм. Анализ спектра комбинационного на левой панели показывает, что распределение размеров мелких Si-НК действительно в диапазоне 2-10 нм. Распределение является логарифмически нормальное со средним размером 4,2 нм в, и с асимметрией (форма фактора анизотропии) 0,27.

Рисунок 4 представляет собой подробный сравнительный анализ Si-НК синтезированного с использованием различных предшественник протекает в плазме повышается химического осаждения паров (PECVD) системы. Для подгонки, как-измеренные данные комбинационного, мы использовали два подходящие функции, зная, что у нас было два суб-распределений в смеси Si-НК. С Siне показывать размер зависит от пик-сдвиг для размеров больших, чем 20 нм, объемный, как лоренцевы пик может быть назначен для большого Si-НК, которые находятся в диапазоне 40-120 нм, в данном случае (в лице, как "Большой Si -NCs "в сюжете). Для малого Si-НК, мы использовали фононов удержания модель мульти-частиц, как примерочную функции (представленное как «Малый Si-НК" в заговоре). Средний размер и коэффициент асимметрии распределения размера получают из этой подгонки, которые необходимые параметры для построения распределения по размерам показано на рисунке 2b. Это уместно функции могут быть интегрированы до размера, из которых пик сдвига не наблюдается больше, т.е. 20 нм Si-НК. Результаты показывают, что мы можем успешно определить средний размер, асимметрия, и полное распределение по размерам Si-НК (панель в, г), используя спектроскопию комбинационного рассеяния. Кроме того, объемная доля малого Si-НК и большой Si-НК может быть определен как отношение интегральных площадей пиков.Для Si-НК синтезируют с использованием 3 SCCS (стандартных кубических сантиметров в секунду) SiH 4 потока, объемной доли малого Si-НК составил 80%, в то время как в случае 10 SCCS SiH 4 потока, небольшой Si-НК объем фракция 88%.

Рисунок 5 демонстрирует сравнение определенного среднего размера частиц Si-НК из различных методов. Во-первых, наша аналитико-PCM 12 (звезды) находится в очень хорошем согласии с PCM. 10 Во-вторых, результаты, полученные от спектроскопии комбинационного рассеяния света находятся в хорошем согласии с результатами, полученными из просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и ФЛ-спектроскопии (PL) ( распределение размера ЛП получают, используя модель Делерю др. 16). Это доказывает надежность использования спектроскопии комбинационного рассеяния с аналитическим-PCM для анализа размера Si-НК. Кроме того, мы также продемонстрировать BPM, 11, который также используется для размера анализа полупроводниковых нанокристаллов.Рисунок 5 завершает также, что PCM прогнозирует размер Si-NC от его размера-зависимой комбинационного сдвига лучше, чем BPM делает.

Фигура 1
Рисунок 1. Представление наночастиц и комбинационного спектрометра. А) Si-НК хранение в 4 газовой смеси Ar / SiH на подложках с использованием оргстекла инструмент PECVD. Si-НК в виде порошка. Различия тон на подложке из-за различий в морфологии и толщины Si-НК порошка, которые подвергаются различным областях плазмы в процессе синтеза 13. Как осажденные морфологии Si-НК готовы для измерений спектроскопии комбинационного рассеяния. Короткая сторона подложки 2 см. Б) эталонного образца, т.е. кристаллический кремниевую пластину, измерение для того, чтобы наблюдать комбинационного пиковое объемной Si. Это ИНФОРМАЦИЯн будет использоваться в качестве точки отсчета при определении относительного сдвига Si-НК от их объемной положения пика с) Изображение спектрометра комбинационного используемого для определения размера исследований. д) Скриншот программного обеспечения для выполнения и записи данные. проанализировать.

Рисунок 2
Рисунок 2. Формулы, используемые в анализе распределения размеров Si-НК. А) комбинационного интенсивность Si-НК с распределением по размерам. Б) Общий размер функция распределения для определения Si-NC распределение размеров. С) аналитическое представление одно- PCM частиц для Si-NC с размером D. D) амплитуды, д) полная ширина половины максимальной, и е) частота вибраций представления в Si-NC с размером D, который в явном видепоявляются в C).

Рисунок 3
Рисунок 3. Из комбинационного анализа спектроскопии нанокристаллов распределение размера. Как-измеренные данные из спектроскопии комбинационного рассеяния света может быть преобразован в количественном распределении размера нанокристаллов с использованием мульти-частиц-аналитический PCM.

Рисунок 4
Рисунок 4. Размер и объемная доля анализ Si-НК. Спектр комбинационного рассеяния Si-НК синтезируют в PECVD инструмент с помощью 3) SCCS и б) 10 SCCS из SiH 4 (силан) газового потока, соответственно. А) и б) демонстрирует деконволюции маршрут для малого и большого Si-НК. Разложение осуществляется с помощью лоренцевскую пик для сыпучих, как большой Si-НК и мульти-частицы-аналитический PCM для малого Si-НК. Корреспондент распределения размера и объема фракции малого Si-НК в течение 3 и 10 SCCS SiH 4 потока демонстрируются в) и г), соответственно. Средний размер малого Si-НК 4,2 нм с асимметрией 0,26 для панели с) и 3.7 нм с асимметрией 0,30 для панели D). Фракции объем оценивается в 80% и 88% для панели в) и г), соответственно.

Рисунок 5
Рисунок 5. Сравнение распределения по размерам Si-НК из различных методов. Размер анализ Si-НК, используя различные методы (ТЕА и PL 16) и анализ размера, используя спектроскопии комбинационного рассеяния привело в отличном соглашения. Результаты также показывают, что ИКМ приводит к более точного определения размера по отношению к BPM. Эта цифра имеет бытьан редактировался работе. 12 с разрешения Американского Института физики.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Первая точка обсуждение критические шаги в протоколе. Чтобы не иметь перекрывающиеся пики с материалом интерес, важно использовать другой тип материала подложки, как указано в шаге 1.2. Например, если Si-НК представляют интерес, не используйте кремниевую подложку для комбинационного рассеяния измерений. На рисунке 1 а, например, Si-НК были синтезированы на подложках из плексигласа, который полностью плоский сигнал примерно около интересующем диапазоне, т.е. 480-530 см - 1. В дополнение к измерению объемную опорного сигнала для оценки сдвига нанокристаллов, связанных с пика, как указано в шаге 1.4, важно также, чтобы найти точное положение пика сыпучего материала, поскольку он может быть также смещен в зависимости от операционной и условия окружающей среды комбинационного спектроскопа. В случае Si-НК, то контрольный образец представляет собой кристаллический кремниевой пластины, которая известна тO имеют поперечной оптической моды (TO) в 521 см. - 1 12 Тем не менее, это может быть смещен в результате температуре операционного лазера, который любил с условиями окружающей среды и интенсивности. Таким образом, важно, чтобы записать справочные данные каждый раз перед измерениями, и исправить их по отношению к известным положениям пиков из литературы. Высокий мощность лазера может нагреваться нанокристаллы, и изменять их размеры, которые приводят в лазерно-индуцированной смещения в спектре комбинационного рассеяния. Таким образом, крайне важно, чтобы определить максимальную мощность лазера, которую можно использовать безопасно, следуя инструкциям на стадии 1.5. Если вставка приблизительный средний размер и асимметрию в шаге 3.4.3 в установочную функцию не может не покрывают форму измеренного спектра комбинационного, это означает, что материал анализировали состоит из суб-распределений. Затем повторите шаги 3.4.2 и 3.4.3 снова, чтобы добавить дополнительные пики для фитинга. Определение интегрального Боунцам (шаг 3.4.7) для распределения по размерам является еще критическая точка. Границы интеграла в функции распределения представляет самые маленькие и самые большие размеры в распределении размера нанокристаллов. 1 нм является наименьшим стабильным размер для большинства систем нанокристаллов. 17 Поскольку количество размерно-зависимой смены уменьшается с увеличением размера нанокристаллов, установить верхний предел интегрирования любого размера, что на ней не наблюдается сдвиг в Спектр комбинационного рассеяния (шаг 3.4.8). Например, Си-НК с размерами больше, чем 20 нм не проявляют никакого сдвига в спектре комбинационного рассеяния, они напоминают объемную, как поведение. 10,12 Таким образом, для Si-НК установка верхнюю границу интеграла с любым размером больше, чем 20 нм не изменится результат.

РСМ описывает размер зависит от комбинационного пики нанокристаллов через сложного выражения. В самом деле, РСМ зависит от дисперсии фононов, функции удержания, и VIBЧастота рацион, который все неявно зависит от размера, D. Кроме того, PCM для конкретного размера, и определить распределение по размерам, он должен быть спроектирован на общей функции распределения и интегрироваться в диапазоне размеров. Эта процедура является сложной и до сих пор, экспериментаторы использовали спектроскопии комбинационного рассеяния в основном для определения среднего размера Si-НК от сдвига в измеренной пика комбинационного рассеяния. С другой стороны, несколько частиц аналитических ИКМ, что мы formulized содержит размер, D, как явного параметра и делает возможным определить не только средний размер, но и полное распределение и формы простым способом с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.

Как уже отмечалось, спектроскопия комбинационного рассеяния в состоянии определить распределение размера нанокристаллов в пределах удержания, которая составляет около 20 нм для Si. Большие размеры не могут быть проанализированы на их распределение по размерам, поскольку они не демонстрируют размер-зависит функция в спектре комбинационного рассеяния, т.е., они имеют схожие формы пиков и позиции как основная кристаллического кремния. Это ограничение имеет место для любого типа системы нанокристаллов, который проявляет размер зависит от пик-смещение в спектре комбинационного рассеяния. Однако предел заключение может изменяться в зависимости от системы нанокристаллов. Например, предел удержания для Ge-НК составляет около 15 нм. 18

Беспокойство во время анализа размера нанокристаллов является сдвиг КР пиков нанокристаллов из-за вторичных причин, которые могут привести к неправильным интерпретациям размер с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Эти вторичные причины структурной модификации (рост зерен или изменение формы) нанокристаллов под избыточным мощности лазера при измерении рамановского и стресс, вызванный матрицы, в которой нанокристаллы встроенного (если таковые имеются). Для того, чтобы избежать чрезмерного нагрева лазерный, рекомендуется, чтобы начать измерение с низкой мощности лазера и увеличить егопостепенно установить четкий сигнал. Пока пик форма и положение остается стабильной, независимой от мощности лазера, используемой, можно считать, что мощность лазера используется в безопасном пределе. 13 Кроме того, предел, за которым нагревательный связанные уширение рамановского пиков Наблюдаемый определяется в литературе как расширение Фано. 12,19 Пока расширение предел Фано не достигнуто, наночастицы не подлежат отопления, связанных с изменениями. Если напряжение, связанные с пика сдвиг присутствует, это неизбежно, и должен учитываться, прежде чем определить размер зависит от пик-сдвиг. Количество стресса может быть определена с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD), где сдвиг в положении дифракционной пика является мерой напряжения. По оценкам, стресс может быть учтено в спектре комбинационного рассеяния с добавлением термина пик сдвига стресс-зависимой. 18 Если никакого напряжения не наблюдается из РСА, прямой анализ распределения размера могут быть выполненыот, как измеренной спектра комбинационного рассеяния. Поскольку все наночастицы имеют устойчивые структуры, как это наблюдается ранее, 14 кристалличности хорошо известна, и проблемы, связанные с плохой кристаллических структур исключено, для анализа комбинационного рассеяния.

Мульти-частиц-аналитический PCM показано на рисунке 2 а является гибким с точки зрения функции распределения и функции удержания используется. Например, любой тип общего функции распределения могут быть заменены логнормального функции распределения, т.е. это может быть логнормальное, нормальный, или логистическая функция, не затрагивая функцию удержания фононов. Кроме того, аналитическое-ИКМ показано на рисунке 2 C может быть повторно определен в зависимости от типа материала, который будет использоваться. Некоторые системы нанокристаллов, которые проявляют зависящие от размера комбинационного пика сдвиги (так, чтобы их распределения размера можеттакже определяется с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния) являются Ge-НК, 20 SnO 2 -NCs, 21 TiO 2 -NCs, 22 и алмазов НК. 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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Govoni, M., Marri, I., Ossicini, S. Carrier multiplication between interacting nanocrystals for fostering silicon-based photovoltaics. Nat. Photonics. 6 (September), 672-679 (2012).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Maier-Flaig, F., Rinck, J., et al. Multicolor Silicon Light-Emitting Diodes (SiLEDs). Nano lett. 13 (2), 1-6 (2013).
  7. Patterson, A. L. The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination. Phys Rev. 56 (10), 978-982 (1939).
  8. 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).
  9. Heitmann, J., Müller, F., Zacharias, M., Gösele, U. Silicon Nanocrystals: Size Matters. Adv Mat. 17 (7), 795-803 (2005).
  10. 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).
  11. Zi, J., Büscher, H., Falter, C., Ludwig, W., Zhang, K., Xie, X. Raman shifts in Si nanocrystals. Applied Physics Letters. 69 (2), 200 (1996).
  12. Doğan, İ, van de Sanden, M. C. M. Direct characterization of nanocrystal size distribution using Raman spectroscopy. J. Appl. Phys. 114, 134310 (2013).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Delerue, C., Allan, G., Lannoo, M. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon. Phys Rev B. 48 (15), 11024 (1993).
  17. Boufendi, L., Jouanny, M. C., Kovacevic, E., Berndt, J., Mikikian, M. Dusty plasma for nanotechnology. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (17), 174035 (2011).
  18. Wellner, A., Paillard, V., et al. Stress measurements of germanium nanocrystals embedded in silicon oxide. J Appl Phys. 94 (2003), 5639-5642 (2003).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).

Tags

Инженерная выпуск 102 Нанокристаллические распределение размера спектроскопия комбинационного рассеяния фононов заключение зависящие от размера свойства кремний
Характеристика нанокристаллов распределении размеров с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с нескольких частиц фононов конфайнмента модели
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Doğan, İ., van de Sanden, M. C. … More

Doğan, İ., van de Sanden, M. C. M. Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model. J. Vis. Exp. (102), e53026, doi:10.3791/53026 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter