- elemeket
- absztrakt
- bevezetés
- az eredmény
- A RIR törzs jellemzése
- Sávszerkezet és optikai tulajdonságok
- Multiexciton kibocsátás
- vita
- mód
- anyagok
- A CdSe magok szintézise
- RIR CdSe/CdS szintézis
- Szerkezeti jellemzés
- Raman spektroszkópia
- Egycellás PL mérések
- Fluoreszcencia vonal szűkülő spektroszkópia
- Multiexciton PL spektroszkópia
- k · p Elmélet
- További részletek
- További információ
- PDF fájlok
- További információ
- Hozzászólások
elemeket
- Villamos és elektronikai mérnöki munka
- Anyagok nanomérlegekhez
- Nanotudomány és technológia
absztrakt
A nem centroszimmetrikus rácsokkal rendelkező kolloid heteronanokristályokban a törzs egyedülálló lehetőséget jelent az optoelektronikai tulajdonságok ellenőrzésére, és új fokú szabadságot ad a meglévő hullám funkcionális mérnöki és dopping paradigmákhoz. A durva CdS burokba ágyazott wurtzit CdSe nanorodokat szintetizáltuk, felhasználva a két domén közötti nagy rács-eltéréseket, hogy érzékeny CdSe magtörzset és erős piezoelektromos potenciált hozzunk létre a c-max mentén. A hatékony töltéselválasztás közvetett átmenethez vezet az alapállapotban, néhány mikroszekundum élettartammal, majdnem egy nagyságrenddel hosszabb, mint bármely más CdSe/CdS nanokristály. A magasabb gerjesztett állapotok nanoszekundumos időtartományban egyesülnek a folyamatosan egymást átfedő orbitális gerjesztett állapotok miatt. A k˙p számításai megerősítik az anizotrop forma és kristályszerkezet fontosságát a piezoelektromos potenciál kialakulásában. A törzstervezés tehát hatékony megközelítést jelent a jól hangolható egyszerű és multiexciton kölcsönhatásokban, amelyeket egy külön mag/héj nanokristályos kialakítás vezérel.
Az anyagtudomány egyik fontos szempontja, hogy külsõ erõk révén vagy a különbözõ rácsállandókkal rendelkezõ heteroszerkezetek epitaxiális növekedésével megszerezzük a törzs irányítását. Különösen optoelektronikus és fotonikus alkalmazások esetén a deformációk hozzáadása a periodikus rácshoz húzó- vagy nyomófeszültség bevonásával félvezetősáv-struktúrát és helyi sáveltolódást hoz létre a különböző anyagok közötti határfelületen. A törzsgyártás már számos területen megtalálta alkalmazását, korábbi példák például a szilíciummezős tranzisztorok jobb teljesítményét mutatták az 1., 2. módosított hordozói mobilitások és az InGaAs 3 stresszelt kvantumkútjában csökkent lízisküszöbök révén. Várható továbbá, hogy az egytengelyű törzs közvetett közvetlen átmenetet vált ki a sávrésbe a germárium 4-ben, ami a IV 5. csoportba tartozó anyagok hatékony fénykibocsátásához vezethet. Az epitaxiális kvantumpontokban a törzset a nehéz és könnyű furatok közötti váltásra használják a 6. gerjesztésben alapállapotban, vagy a finom μeV szerkezet megoszlásának minimalizálására a tiszta 7 excitonok között. .
A kolloid nanokristályok (NC) egy speciális osztályt alkotnak, amelyben a törzs soha nem látott szintig használható. A sablon nélküli NC kis méretei miatt (8. Kis NC-kben az egyensúlyi rácsállandó még a ZnS (1% -os kontrakció) 9 vagy a PbSe (0,8% dilatáció) 10. (heteroNC) alatt termesztett térfogattól is eltér. a magas rács-eltérés körülményei, ami például kiváló minőségű CdSe/CdS-hez (4,4% eltérés a cink, ZB, kristályszerkezet esetében), CdTe/CdSe (6,4%) és CdTe/ZnSe (13, 4%) NC 11-hez, 12, 13. Továbbá, a 14/15, 16 mag/héj határfelületen számos rendszerben lokális sávdeformációt figyeltek meg. A CdTe/ZnSe heteroNC-ben a törzset használták a sáveltolódás megfordítására az I. típusú heterociklusról a II. Típusú heteroszerkezetre. és a CdSe/CdTe esetében erős hatással van a hordozó 17, 18, 19 20 relaxációs és rekombinációs dinamikájára. A legtöbb alkalmazásban azonban elkerülik az interfaciális stresszt, mivel ez olyan interfészhibák kialakulásához is vezethet, amelyek csökkentik az emissziót hatékonyság 12, 13 .
A törzstechnika eszköz lehet egy egyedi típusú nanoszerkezet létrehozására is, általában NC-ben, nem centroszimmetrikus kristályráccsal. Az inverz centrum hiánya számos szimmetriától függő tulajdonsághoz vezet, mint például piezo és piroelektromos elemek, kiralitás és körkörös dikroizmus 21. Kimutatták, hogy a piezoelektromos mező által indukált törzsek jelentősen megváltoztatták a sáv szerkezetét és az elektronlyuk átfedését a CdSe/CdS Stark szuperhősök 22 és az epitaxiális III-nitrid 23 kvantumpontokban. Ez a hatás a wurtzit (WZ) kristályszerkezetének és a 2., 5. és 4. rács, 2% és 4. és 3., valamint 9, 9% eltérésének volt köszönhető az - ac --ax mentén, amelyek piezoelektromos mezők nagyobbak, mint 106 V cm-1, erősebbek, mint a ZB 22, 25 kristályokban. Kolloid NC-kben ez új irányt jelentene az optoelektronikai tulajdonságok szabályozásában, az NC méretén és alakján keresztüli kvantumkorlátozáson, a sávszerkezet strukturálásán keresztül a heteroszerkezet növekedésén keresztül 11, 12, 13 vagy az ellenőrzött doppingoláson keresztül, hogy erősen lokalizált elektronikus állapotokat indukáljanak. 26. .
az eredmény
A RIR törzs jellemzése
// CdSe
Asztal teljes méretben
a ) A CdSe/CdS RIR III minta TEM áttekintése. A CdSe magok körüli sötét és világos területeket a mag/héj felület közelében lévő helyi rács torzítások által generált diffrakciós kontraszt okozza. b ) A mag CdSe nanorodok és a megfelelő RIR magok/burok XRD mintázata (III. Minta). A függőleges vonalak a WZ CdSe (kék) és a CdS (piros) térfogatszögeket jelzik. ( c ) Az egyes RIR-ek HAADF-STEM képe, a vetített összetétel alapján a Cd Ka, Se Ka és Se Ka jelek EDS profiljából (a narancssárga vonal mentén) határozva meg. ( d ) Az egyik RIR HRTEM képe (III. Minta), amely a CdSe/CdS mag/burok heteroszerkezetek epitaxiális növekedését mutatja.
Teljes méretű kép
a ) Az 1c. Ábrán látható átlagos RIR NC tágulási törzstérkép (az optimális kontraszt érdekében a skála -40% és 50% között mozog). Számos halmozási hibát és elmozdulást lokálisan torzít a szármező, de homogén törzs (zöld) 15 × 30 nm körüli területét figyeljük meg, amely egyértelműen nagyobb, mint a CdSe mag 11 × 26 nm átmérőjű nanorodja. A z - és y tenzor tengelyei megfelelnek a kristálytengelyeknek. b ) A feszültségtenzor számított laterális (bal oldali panel) és c-tengely (jobb oldali panel) komponensei, amelyek a CdSe mag tömörítését és a CdS burok dilatációját mutatják a CdSe/CdS interfészen.
Teljes méretű kép
Sávszerkezet és optikai tulajdonságok
a ) abszorpciós spektrumai szobahőmérsékleten a CdSe (szaggatott vonalak) és a RIR mag/héj CdSe/CdS (folytonos vonalak) mag nanorodák, a PL mag (pontozott vonalak) és a RIR mag/burok (folytonos vonalak) spektrumok megfelelő spektrumával. Ne feledje, hogy a RLE III mintában Rayleigh-szóródás figyelhető meg, valószínűleg a nagy RIR-térfogat miatt. ( b ) A CdSe nanorodok (fekete) és az RIR I., II. És III. Minta PL-bontásának időbeli felbontású nyomai. A RIR III minta esetében legfeljebb 4,4 μs élettartamot figyelhetünk meg. ( c, d ) fluoreszcencia vonal szűkülő spektruma (FLN) 2 K hetero-NC kvázi II-es típusnál (RIR I minta, c ) és a heteroNC II típusú (RIR III minta, d ). A teljes PL spektrumot nem rezonáns gerjesztésben 3,1 eV mellett ábrázoljuk fent, referenciaként, a gerjesztés hullámhosszát mutató nyilakkal.
Teljes méretű kép
a ) A sáv teljes szerkezetének dózisa a RIR III minta hossztengelye mentén. A potenciális kutak erősen aszimmetrikusak, a CdSe nanorod mag ellentétes oldalán a maximális vegyérték-sáv és a minimális vezető sáv található. A közvetett átmenet energiája a CdSe tömegrés alatt van. b ) Megfelelő kétdimenziós grafikonok. ( c ) Az elektron (bal) és a hullám (jobb) hullámfüggvények jól el vannak választva, ami megerősíti a gerjesztés közvetett állapotát. d ) A növekvő méretű RIR-eknél az elektronlyukak átfedése a piezoelektromos szempontok figyelembevételével gyorsan csökken (folytonos vonal), miközben egyébként 80% felett marad (szaggatott vonal). A mag képaránya 1: 3, a burkolat pedig kétszer akkora.
Teljes méretű kép
Multiexciton kibocsátás
a ) A RIR III minta folyadékfüggő PL spektrumai. Nagy simaság esetén a kék me- netű eltolódás 140 meV kibocsátásban figyelhető meg. b ) A PL intenzitása lineárisan növekszik, legfeljebb 10 μJ cm −2 simasággal, ami erősen elnyomott Auger rekombinációt jelez. ( c ) A kamera képe 11,2 μJ cm -2 simasággal, megerősítve a kék eltolódás MX-kibocsátását. Az emisszió 45 ns-nál összehasonlításra szolgál; azonban még nem felel meg a tisztán egyhangú PL-nek, amelynek 1,75 eV-nál kellene csúcsot elérnie. d ) A spektrálisan integrált bomlás multiexpontenciális, 1, 9 ill. 20 ns. Megjegyezzük, hogy az MX-emisszió már 1 μJ cm −2 alatt kimutatható, míg a PL lineáris növekedése 10 μJ cm −2-ig kitart (lásd: b ). e ) Az exciton, biexciton és triexciton alapállapotok főbb elektronikus konfigurációinak vázlata. A magasabb pályák alkalmazása, amelyek piezoelektromos retenciója gyengébb, lehetővé teszi a bi- és triexcitonok elektronlyukainak erősebb átfedését. ( f ) Az elektron- és lyukhullám-függvények a RIR III-as minta három legalacsonyabb elektron- és furatpályáján, és a mag középpontja felé növekvő eltolódást mutatnak.
Teljes méretű kép
vita
Hatalmas CdS héjakba ágyazott nagy WZ CdSe rudakkal egyedülálló kolloid rendszert szintetizáltunk piezoelektromos mezők által meghatározott sávszerkezettel. A kapott közvetett excitonok élettartama legfeljebb 4,4 μs lehet, az elektronlyuk delokalizációjával, amelyet anyagparaméterek segítségével gondosan szabályozni lehet. A PL tekintélyes 10-23% -os kvantumhatékonysága mellett (a II. Típusú konfiguráció miatt) ezek az anyagok hatékony multiexciton emissziót is mutatnak, és elnyomják az Auger rekombinációt. Ez nemcsak elmélyítheti a kolloid nanokristályok gerjesztett állapotvivő-dinamikájának betekintését, hanem utat is teremthet az 57, 58, 59 vagy az optoelektronikus 31, 60 alkalmazások kvantumpont-energiájának további javításához. Ezenkívül a rendkívül hosszú élettartam többek között alkalmazható a festékkel érzékeny 61 napelemekben vagy a 30 exciton tároló eszközökben. .
mód
anyagok
A tri-n-oktil-foszfin-oxidot (TOPO, 99%), a tri-n-oktil-foszfint (TOP, 97%) és a szelént (Se, 99, 99%) a Strem Chemicals-tól vásároltuk. Kadmium-oxidot (CdO, 99, 99%), kadmium-kloridot (CdCl2, 99, 99%), ként (S, 99, 98%), etanolt, toluolt és kloroformot a Sigma-Aldrich cégtől vásároltunk. Az N-oktadecil-foszfonsavat (ODPA) és az n-hexil-foszfonsavat (HPA) a Polycarbon Industries cégtől vásároltuk.
A CdSe magok szintézise
A CdSe magokat Miszta et al. Például 3 g TOPO-t, 50 mg CdO-t, 80 mg HPA-t és 260 mg ODPA-t adtunk a legnagyobb 10,6 nm átmérőjű és 25,6 nm hosszú nanorodok előállításához (a RIR III minta magja). egy lombikba, és 150 ° C-on 1 órán át gáztalanítottuk. A hőmérsékletet argonáramban 380 ° C-ra emeltük, és 2,6 ml TOP-ot injektáltunk. Amikor a 380 ° C hőmérséklet visszaállt, 1 ml 0,15 M TOPSe-oldatot injektáltunk, és a nanorodokat 10 percig hagytuk növekedni. A kisebb nanorodok szintéziséhez a TOPSe-koncentrációt, az elő- és ligandumkoncentrációt, valamint a reakció hőmérsékletét és idejét megváltoztatták (3. kiegészítő megjegyzés).
RIR CdSe/CdS szintézis
Egy 50 ml-es gömblombikban 3 g TOPO-t, 50 mg CdO-t, 6 mg CdCl2-t, 80 mg HPA-t és 260 mg ODPA-t gáztalanítottunk 150 ° C-on vákuumban 1 órán át 32 órán át. Ezután argonáram alatt a hőmérsékletet tovább emeltük 380 ° C-ra, és 2,6 ml TOP-ot injektáltunk. A 380 ° C helyreállítása után 0,5 g TOPS (előmelegített, túltelített TOPS törzsoldatból, amely 96 mg S-t tartalmaz 1 ml TOP-ban) és 150 μl 3 μl CdSe nanorodok keveréke. a TOP-ban hozzáadva. A CdS-csomagot 10 percig hagytuk növekedni. Ezután az oldatot gyorsan lehűtjük szobahőmérsékletre, és 10 ml toluolt adunk hozzá. A RIR-ket 5 ml etanol hozzáadásával tisztítottuk és 3000 fordulat/perc sebességgel centrifugáltuk. 5 percig kloroformban újra diszpergáljuk. Ezt háromszor megismételtük, és a RIR-ket végül 5 ml kloroformban diszpergáltuk.
Szerkezeti jellemzés
A röntgendiffraktogramokat 40 kV-on működő Rigaku SmartLab 9 kW-os diffraktométerrel mértük. Az XRD mintákat úgy kaptuk, hogy az NC-t egy elvágott szilícium szubsztrátumra csepegtettük. Világos térbeli TEM-méréseket végeztek egy 100 kV gyorsítófeszültségen működő JEOL-1100 TEM-en. A HRTEM-et egy JEOL JEM-2200FS mikroszkóppal végeztük, amely 200 kV-os gyorsulási feszültséggel működő terepi emissziós pisztollyal, a CEOS-objektum gömbös aberrációs korrektorával, amely 0,9 Å térbeli felbontást tesz lehetővé, és egy Omega oszloppal. szűrő. A HAADF-STEM képeket 0,7 nm-es foltmérettel gyűjtöttük össze. A RIR kémiai összetételét az EDS vonal elemzésével határoztuk meg, HAADF-STEM módban szkennelve, Bruker Quantax 400 rendszer alkalmazásával, 60 mm 2-es XFlash 6T szilícium-szilícium szilícium detektorral, Cliff-Lorimer módszerrel. HRTEM képeket is használtunk csúcselemzéshez csúcspár elemzéssel 39. Az ij atomoszlopok szerkezeti eltolódásait használtuk az yz tenzor törzs (vetített) komponenseinek kiszámításához,
a rácsalap vektorok tekintetében a
Raman spektroszkópia
Az NC-ket üvegszubsztrátumra csepegtettük, hogy szorosan csomagolt filmet képezzünk. A Raman-spektrumokat egy Renishaw InVia MicroRaman spektrométeren gyűjtöttük össze, a mintákat 100 mW dióda lézerrel λ = 532 nm-nél, x50 nagyítású mikroszkóp objektív alkalmazásával, 30 másodpercig tartó integrációs idővel izgalmazva.
Egycellás PL mérések
A PL méréseket Edinburgh Instruments FLS920 spektrofluorométerrel végeztük. A mintákat 400 nm-nél xenonlámpával gerjesztettük az egyensúlyi állapot mérésére, és 405 nm-en pulzáló lézerrel (50 ps impulzus-időtartam) gerjesztettük az időre felbontott nyomokat. Jellemzően a csúcsmaximum körüli 10 nm körüli területet választották a bomlás mérésére. A kvantumhatékonyságot integrációs gömb, az I. és II. RIR minták gerjesztésével 400 nm-en és a III. Minta 450 nm-en történő gerjesztésével határoztuk meg. Az optikai sűrűséget 0,1-re állítottuk a gerjesztési hullámhosszon.
Fluoreszcencia vonal szűkülő spektroszkópia
A fotokizgatás spektrálisan keskeny forrása (40 A törzs által lineárisan összefüggő törzs által kiváltott piezoelektromos polarizáció
További részletek
Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Christodoulou, S. és mtsai. Sávszerkezet kialakítása piezoelektromos mezőkön keresztül feszített anizotróp CdSe/CdS nanokristályokban. Nat. Commun. 6: 7905 doi: 10.1038/ncomms8905 (2015).
További információ
PDF fájlok
További információ
1-13. Kiegészítő ábra, 1-4. Kiegészítő táblázat, 1-3. Kiegészítő megjegyzés és kiegészítő hivatkozás
Hozzászólások
Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.