• предметів
  • реферат
  • вступ
  • результат
  • Характеристика штаму RIR
  • Смугова структура та оптичні властивості
  • Викиди мультиекситону
  • обговорення
  • методи
  • матеріалів
  • Синтез ядер CdSe
  • RIR Синтез CdSe/CdS
  • Структурна характеристика
  • Спектроскопія КРС
  • Вимірювання PL в одній комірці
  • Спектроскопія звуження лінії флуоресценції
  • Мультиекситонна спектроскопія PL
  • k · p Теорія
  • Детальніше
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

предметів

  • Електротехнічна та електронна техніка
  • Матеріали для нанорозмірів
  • Нанонаука та технологія

реферат

Штам в колоїдних гетеронанокристалах з нецентросиметричними решітками представляє унікальну можливість контролювати оптоелектронні властивості та додає новий ступінь свободи до існуючих парадигм функціональної інженерії та допінгу. Ми синтезували нанохвості вюрциту CdSe, вбудовані в грубу оболонку CdS, використовуючи великі невідповідності решітки між двома доменами, щоб створити чутливу деформацію ядра CdSe та сильний п'єзоелектричний потенціал уздовж його c-max. Ефективне розділення заряду призводить до опосередкованого переходу в основний стан із часом життя в декілька мікросекунд, майже на порядок довшим, ніж будь-який інший нанокристал CdSe/CdS. Вищі збуджені стани поєднуються в наносекундному діапазоні часу через постійно перекриваються орбітальні збуджені стани. Розрахунки k˙p підтверджують важливість анізотропної форми та кристалічної структури для формування п'єзоелектричного потенціалу. Таким чином, магістерська інженерія являє собою ефективний підхід до високонастроюваних простих та багатоекситонних взаємодій, які зумовлені спеціальною нанокристалічною конструкцією ядро ​​/ оболонка.

допомогою

Важливим аспектом матеріалознавства є отримання контролю над деформацією за допомогою зовнішніх зусиль або завдяки епітаксійному зростанню гетероструктур з різними константами решітки. Зокрема, у випадку оптоелектронних та фотонних застосувань, додавання невеликих деформацій до періодичної решітки, включаючи напруження на розтяг або стиск, створює напівпровідникову структуру смуги та локальний зсувний діапазон на межі розділу між різними матеріалами. Магістральна інженерія вже знайшла застосування в різних галузях, і попередні приклади демонструють, наприклад, покращену роботу силіконових польових транзисторів за рахунок модифікованих рухливих носіїв 1, 2 та зниження порогів лізису в напруженій квантовій ямі InGaAs 3. Очікується також, що одновісний штам спричинить непрямий прямий перехід до зазору в гермарії 4, що може призвести до ефективного випромінювання світла з матеріалів групи IV 5. В епітаксійних квантових точках деформація використовується для перемикання між важкими та легкими дірками при збудженні 6 в основному стані або для мінімізації поділу тонкої структури μеВ між прозорими екситонами 7. .

Колоїдні нанокристали (НК) утворюють особливий клас матеріалів, у яких штам може використовуватися до безпрецедентного рівня. Через малі розміри NC без шаблонів (8. У малих NC константа рівноважної решітки навіть відрізняється від обсягу, як повідомляється в ZnS (1% скорочення) 9 або PbSe (0,8% дилатація) 10. (гетеро NC), вирощених під умови високої невідповідності решітки, що призводить, наприклад, до високої якості CdSe/CdS (4,4% невідповідність цинку, ZB, кристалічній структурі), CdTe/CdSe (6,4%) та CdTe/ZnSe (13, 4%) NC 11, 12, 13. Крім того, локальна деформація смуги спостерігалася в декількох системах на межі ядро ​​/ оболонка 14, 15, 16. У гетероNC CdTe/ZnSe штам використовувався для інвертування зсуву смуги від гетероцикла 11 типу I до гетероструктури типу II а для CdSe/CdTe має сильний вплив на динаміку релаксації та рекомбінації носія 17, 18, 19 20. Однак у більшості застосувань уникнути міжфазного напруження, оскільки це також може призвести до утворення дефектів межі розділу, що зменшують викиди ККД 12, 13 .

Племінна інженерія також може бути засобом створення унікального типу наноструктури, як правило, у Північній Кароліні з нецентросиметричною кристалічною решіткою. Відсутність зворотного центру призводить до ряду властивостей, що залежать від симетрії, таких як п'єзо- та піроелектрики, хіральність та круговий дихроїзм 21. Було показано, що індуковані п'єзоелектричними полями істотно змінюють структуру зон і перекриття електронних дірок у супергероях CdSe/CdS Stark 22 та епітаксійних III-нітридах 23 квантових точках. Цей ефект був обумовлений кристалічною структурою вюрциту (WZ) та невідповідністю решіток 2, 5 та 4, 2% та 4 та 3, 9% (посилання 24) вздовж a - ac --ax, які призводять до п'єзоелектрики поля більше 106 В см -1, сильніші, ніж у кристалах ZB 22, 25. У колоїдних НЦ це означало б новий напрямок у контролі оптоелектронних властивостей, на додаток до квантових обмежень через розмір та форму НЗ, структуру смуги через зростання гетероструктури 11, 12, 13 або контрольоване легування для індукції сильно локалізованих електронних станів. 26 .

результат

Характеристика штаму RIR

// CdSe

Стіл в натуральну величину

a ) Огляд TEM зразка CdSe/CdS RIR III. Темні та світлі області навколо ядер CdSe спричинені дифракційним контрастом, створюваним локальним спотворенням решітки поблизу інтерфейсу ядро ​​/ оболонка. b ) Рентгенографічні структури основних нанородів CdSe та відповідних ядер/оболонки RIR (зразок III). Вертикальні лінії позначають кути гучності WZ CdSe (синій) і CdS (червоний). ( c ) HAADF-STEM зображення окремих RIR, при цьому прогнозований склад визначається за профілем EDS (вздовж помаранчевої лінії) сигналів Cd Ka, Se Ka та Se Ka. ( d ) Зображення HRTEM одного RIR (зразок III), що показує епітаксійний ріст гетероструктур ядра/оболонки CdSe/CdS.

Повнорозмірне зображення

a ) Середня карта деформацій розширення RIR NC, показана на малюнку 1c (шкала коливається від -40% до 50% для оптимального контрасту). Декілька дефектів укладання та дислокацій локально спотворюються полем стовбура, але ми спостерігаємо область однорідної деформації (зелена) близько 15 × 30 нм, явно більшу за нанороділь ядра CdSe діаметром 11 × 26 нм. Осі тензора z - і y відповідають кристалографічним осям. b ) Розраховані бічні (ліва панель) та c-вісь (права панель) компоненти тензора напружень, що показують стиск серцевини CdSe та дилатацію оболонки CdS на інтерфейсі CdSe/CdS.

Повнорозмірне зображення

Смугова структура та оптичні властивості

a ) спектри поглинання при кімнатній температурі CdSe (пунктирні лінії) та ядер/оболонок RIR CdSe/CdS (суцільні лінії) наностержнів ядра, з відповідними спектрами ядра PL (пунктирні лінії) та спектрів RIR ядро ​​/ оболонка (суцільні лінії). Зауважимо, що релеєвське розсіювання спостерігається у зразку RIR III, ймовірно, через великий об’єм RIR. ( b ) Вирішені в часі сліди розкладання PL нанородів CdSe (чорний) та зразків RIR I, II та III. Для зразка RIR III ми спостерігаємо тривалість життя до 4,4 мкс. ( c, d ) спектри звуження лінії флуоресценції (FLN) при 2 K гетеро-NC квазітипу II (зразок RIR I, c ) та гетероНЦ типу II (зразок RIR III, d ). Весь спектр ФЛ при нерезонансному збудженні при 3,1 еВ наведено вище для довідки, стрілки вказують довжину хвилі збудження.

Повнорозмірне зображення

a ) Доза загальної структури смуги вздовж поздовжньої осі зразка RIR III. Потенційні свердловини сильно асиметричні, з максимальною валентною зоною та мінімальною провідниковою смугою на протилежних сторонах серцевини нанородяка CdSe. Непрямий перехід також має енергію нижче розриву маси CdSe. b ) Відповідні двовимірні графіки. ( c ) Електронні (ліва) та хвильова (права) хвильові функції добре розділені, що підтверджує непрямий стан збудження. d ) Перекриття електронних дірок для збільшення розміру RIR швидко зменшується, якщо враховувати п'єзоелектрик (суцільна лінія), в іншому випадку залишається вище 80% (пунктирна лінія). Ядро має співвідношення сторін 1: 3, а корпус удвічі більший.

Повнорозмірне зображення

Викиди мультиекситону

a ) Залежні від рідини спектри ФЛ зразка RIR III. При високій плавності спостерігається синій зсув викидів 140 меВ. b ) Інтенсивність ФЛ лінійно зростає з плавністю до 10 мкДж/см2, що вказує на сильно пригнічену оже-рекомбінацію. ( c ) Зображення камери з плавністю 11,2 мкДж/см2, що підтверджує випромінювання MX синього зсуву. Для порівняння наведено випромінювання при 45 нс; однак він ще не відповідає суто однотонному ФЛ, який повинен досягти максимуму в 1,75 еВ. d ) Спектрально інтегроване розкладання є багатоекспонентним, тривалість життя становить 1, 9, відповідно. 20 нс. Зверніть увагу, що викиди MX вже можна виявити нижче 1 мкДж/см2, тоді як лінійне збільшення ФЛ зберігається до 10 мкДж/см2 (див. b ). e ) Контур основних електронних конфігурацій основного стану екситону, біекситону та триекситону. Застосування вищих орбіталей, п’єзоелектричне утримання яких є слабшим, дозволяє сильніше перекривати електронні діри для бі- та триекситонів. ( f ) Електронні та діркові хвильові функції для трьох найнижчих орбіт електронів і дірок у зразку RIR III, що демонструє зростаючий зсув у напрямку до центру ядра.

Повнорозмірне зображення

обговорення

За допомогою великих стрижнів Wz CdSe, вбудованих у величезні оболонки CdS, ми синтезували унікальну колоїдну систему із смуговою структурою, що визначається п’єзоелектричними полями. Отримані непрямі екситони мають час життя до 4,4 мкс з делокалізацією електронної дірки, що можна ретельно регулювати за допомогою параметрів матеріалу. На додаток до поважної квантової ефективності PL 10-23% (завдяки конфігурації типу II), ці матеріали також демонструють ефективне випромінювання мультиекситону і пригнічують оже-рекомбінацію. Це може не тільки поглибити уявлення про динаміку збудженого стану в колоїдних нанокристалах, але також може відкрити шлях для подальших вдосконалень в енергії квантових точок 57, 58, 59 або оптоелектронних додатках 31, 60. Крім того, надзвичайно тривалий термін служби може, серед іншого, знайти застосування в сенсибілізованих на барвники сонячних елементах 61 або запам'ятовуючих пристроях екситону 30 .

методи

матеріалів

Три-н-октилфосфіноксид (TOPO, 99%), три-н-октилфосфін (TOP, 97%) та селен (Se, 99, 99%) були придбані у Strem Chemicals. Оксид кадмію (CdO, 99, 99%), хлорид кадмію (CdCl 2, 99, 99%), сірка (S, 99, 98%), етанол, толуол та хлороформ були придбані у Sigma-Aldrich. N-октадецилфосфонова кислота (ODPA) та н-гексилфосфонова кислота (HPA) були придбані у Polycarbon Industries.

Синтез ядер CdSe

Насіння CdSe синтезували, використовуючи процедуру, описану в Miszta et al. Наприклад, 3 г TOPO, 50 мг CdO, 80 мг HPA і 260 мг ODPA були додані для отримання найбільших наностержнів діаметром 10,6 нм і довжиною 25,6 нм (серцевина зразка RIR III). в колбу і дегазували протягом 1 год при 150 ° С. Потім температуру підвищували до 380 ° С під струменем аргону і вводили 2,6 мл ТОП. Коли температура 380 ° C була відновлена, вводили 1 мл 0,15 М розчину TOPSe і наностати пропонували рости протягом 10 хвилин. Для синтезу дрібних нанородів були змінені концентрація TOPSe, концентрація попередника та ліганду, а також температура та час реакції (додаткове примітка 3).

RIR Синтез CdSe/CdS

У круглодонній колбі об'ємом 50 мл 3 г TOPO, 50 мг CdO, 6 мг CdCl 2, 80 мг HPA та 260 мг ODPA дегазували при 150 ° C у вакуумі протягом 1 години 32. Потім під струменем аргону температуру додатково підвищували до 380 ° С і вводили 2,6 мл ТОП. Після відновлення 380 ° C суміш 0,5 г TOPS (із попередньо нагрітого, перенасиченого маточного розчину TOPS, що містить 96 мг S в 1 мл ТОП) і 150 мкл 3 мкг розчину наностержнів CdSe. в ТОП були додані. Пакету CdS дозволили рости протягом 10 хвилин. Потім розчин швидко охолоджували до кімнатної температури і додавали 10 мл толуолу. RIR очищали додаванням 5 мл етанолу та центрифугуванням при 3000 об/хв. Протягом 5 хвилин їх повторно розподіляли у хлороформі. Це повторювали три рази, і остаточно RIR диспергували в 5 мл хлороформу.

Структурна характеристика

Рентгенівські дифрактограми вимірювали за допомогою дифрактометра Rigaku SmartLab потужністю 9 кВт, що працює при 40 кВ. Зразки XRD були отримані шляхом накапування NC на неправильно закріплену кремнієву підкладку. Вимірювання ПЕМ у світлому полі проводили на ТЕО JEOL-1100, що працює при прискорювальній напрузі 100 кВ. HRTEM проводили за допомогою мікроскопа JEOL JEM-2200FS, оснащеного польовою емісійною пістолетом, що працює при прискорювальній напрузі 200 кВ, сферичним коректором аберації для об'єктива CEOS, що дозволяє отримати просторову роздільну здатність 0,9 Å, і колоною Омега. фільтр. Зображення HAADF-STEM збирали з використанням розміру плями 0,7 нм. Хімічний склад RIR визначали аналізом лінії EDS, скануванням у режимі HAADF-STEM, використовуючи систему Bruker Quantax 400 із кремнієвим кремнієвим детектором 60 мм 2 XFlash 6T за методом Кліффа-Лорімера. Зображення HRTEM також використовували для аналізу піків за допомогою аналізу пар піків 39. Структурні зрушення в атомних колонах ij використовувались для розрахунку (прогнозованих) компонент тензорної деформації yz,

відносно базових векторів решітки a

Спектроскопія КРС

НК скидали на скляну підкладку, утворюючи щільно упаковану плівку. Спектри КРМ збирали на спектрометрі Renishaw InVia MicroRaman, збуджуючи зразки діодним лазером потужністю 100 мВт при λ = 532 нм, використовуючи об'єктив мікроскопа збільшення x50, з часом інтеграції до 30 с.

Вимірювання PL в одній комірці

Вимірювання ФЛ проводили за допомогою спектрофлуорометра Edinburgh Instruments FLS920. Зразки збуджувались при 400 нм ксеноновою лампою для стійких вимірювань та при 405 нм імпульсним лазером (тривалість імпульсу 50 пс) для дозволених у часі слідів. Як правило, для вимірювання занепаду вибирали область близько 10 нм навколо максимуму піку. Квантову ефективність визначали за допомогою сфери інтегрування, захоплюючих зразки RIR I та II при 400 нм та зразки III при 450 нм. Оптична щільність була встановлена ​​на 0,1 на довжині хвилі збудження.

Спектроскопія звуження лінії флуоресценції

Спектрально вузьке джерело фотозбудження (40) Індукована деформацією п'єзоелектрична поляризація, яка лінійно пов'язана з деформацією, обчислюється за

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Christodoulou, S. et al. Проектування смугової структури за допомогою п’єзоелектричних полів у напружених анізотропних нанокристалах CdSe/CdS. Нат. Комун. 6: 7905 doi: 10.1038/ncomms8905 (2015).

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові рисунки 1-13, додаткові таблиці 1-4, додаткові примітки 1-3 та додаткові посилання

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.