Exciton dan Lasing Terkait Permukaan dalam Struktur Nano CdS

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan spektrum PL suhu rendah (20 K) dan suhu kamar dari sampel CdS NBs dan NWs. Spektrum PL ini semuanya diukur pada daya eksitasi 8 mW. Untuk kejelasan, data spektral PL pada Gambar. 1a dinormalisasi dan diimbangi secara vertikal. Dapat dilihat bahwa spektrum NB CdS menampilkan beberapa struktur yang berhubungan dengan emisi eksiton. Puncak terkait yang terletak di 2.552, 2.539, dan 2.530 eV dapat diberi label sebagai eksiton A gratis (FX_A ), emisi eksiton terikat donor netral (D ⁰ X) dan eksiton terikat akseptor netral (A ⁰ X), masing-masing. Puncak-puncak ini dapat ditetapkan secara wajar sesuai dengan karakteristik energi emisinya [12, 27]. Secara signifikan, kami mengasumsikan emisi pada 2.510 eV adalah emisi eksitasi terkait keadaan permukaan dan diberi label sebagai SX, dan hasil detailnya akan dibahas nanti. Seperti diketahui, eksitasi yang berhubungan dengan permukaan adalah sejenis rangsang terikat, yang dikaitkan dengan cacat yang berhubungan dengan permukaan, seperti studi tentang eksiton permukaan di ZnO dan struktur nano lainnya [18,19,20]. Mengingat energi fonon optik longitudinal (LO) dari CdS adalah sekitar 38 meV, puncak sisi energi yang lebih rendah (2.471 eV) dapat ditetapkan ke replika fonon LO orde pertama dari SX. Sebaliknya, sampel CdS NWs menunjukkan puncak emisi asimetris dengan posisi puncak pada 2.513 eV. Puncak ini juga dapat ditetapkan untuk rekombinasi dari exciton terkait keadaan permukaan (SX). Gambar 1b menampilkan spektrum PL suhu ruangan dari CdS NBs dan NWs. Dibandingkan dengan CdS NB, posisi puncak SX menunjukkan sedikit pergeseran biru. Perlu disebutkan bahwa intensitas emisi SX sampel CdS NWs sekitar dua kali lebih tinggi dari sampel CdS NBs. Sampel CdS NWs memiliki rasio permukaan-ke-volume yang lebih besar daripada sampel CdS NBs, sehingga pendaran dua struktur nano pada suhu kamar dapat dikaitkan dengan permukaan, yaitu terkait dengan rangsangan permukaan. Mempertimbangkan hasil SEM dalam file tambahan 1:Gambar S1, kami menemukan sulit untuk menemukan substrat Si dalam gambar CdS NBs, sebaliknya, substrat tanpa alas dapat dilihat pada sampel CdS NWs. Hasil ini berarti bahwa cakupan sampel CdS NBs per satuan luas jauh lebih besar daripada sampel CdS NWs (seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1). Pada saat yang sama, di bawah kondisi pengukuran yang sama, intensitas pantulan laser di CdS NWs adalah 8,2 kali lipat dari CdS NBs. Oleh karena itu, sampel CdS NWs harus memiliki efisiensi PL yang lebih tinggi, yang konsisten dengan spekulasi bahwa emisi PL terkait dengan rangsangan permukaan.

Spektrum PL dari CdS NB dan NW (a ) pada 20 K dan (b ) pada suhu kamar

Untuk mengungkapkan evolusi emisi dalam sampel CdS NB dan NW, spektrum PL yang bergantung pada suhu diungguli dan dianalisis. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 2a, puncak FX_A , D ⁰ X, dan A ⁰ X, semuanya menunjukkan pergeseran merah dengan meningkatnya suhu, sedangkan pada sampel CdS NB, emisi SX mendominasi emisi pada rentang suhu 20 hingga 295 K. Hasil penelitian menunjukkan bahwa intensitas emisi FX_A , D ⁰ X, dan A ⁰ Emisi X turun drastis ketika suhu naik, dan intensitas relatifnya menurun jauh lebih cepat daripada SX dan menghilang pada sekitar 100 K. Sisipan Gambar 2a menunjukkan plot evolusi posisi puncak ini dengan suhu. Untuk memahami mekanisme emisi di balik hasil PL, kami menggunakan rumus empiris berikut untuk menggambarkan penyusutan celah pita akibat suhu [28]:

a Spektrum PL CdS NB yang bergantung pada suhu dalam kisaran dari 20 K hingga 295 K, insetnya adalah plot FX_A , A ⁰ X, dan puncak SX sebagai fungsi suhu. b Spektrum PL bergantung suhu dari CdS NWs dalam kisaran dari 20 K hingga 295 K, inset adalah pergeseran merah puncak SX dengan suhu, dan kurva merah solid SX sesuai dengan hasil fit berdasarkan persamaan Varshni

dimana E _g (0) adalah celah pita pada 0 K, α adalah konstanta kopling antara elektron (atau eksiton) dan fonon yang dikaitkan dengan kekuatan interaksi eksiton-fonon, adalah energi fonon rata-rata, dan T mewakili suhu mutlak. Simbol pada sisipan Gambar 2a adalah data eksperimen FX_A , D ⁰ X, dan SX, dan garis padat mewakili kurva pas SX. Dalam hal ini, SX menunjukkan pergeseran merah dengan kenaikan suhu, dan dapat disesuaikan dengan baik dengan rumus di atas. Hasil ini menunjukkan bahwa SX mendekati rekombinasi radiasi celah pita. Parameter pas E _g (0) dari SX kira-kira 2.512 eV dalam sampel CdS NB, yang terletak di sisi energi rendah dari FX_A puncak. Perbedaan energi antara SX dan FX_A adalah sekitar 42 meV. Emisi SX secara bertahap dominan saat suhu naik, yang juga mendukung emisi SX yang disebabkan oleh eksitasi yang kuat.

Sebagai perbandingan, spektrum PL yang bergantung pada suhu dari CdS NWs ditunjukkan pada Gambar. 2b. Terlihat bahwa spektrum PL hanya menunjukkan satu puncak emisi pada kisaran suhu 20 hingga 295 K. Puncak ini terletak pada 2.513 eV pada 20 K, dan harus ditetapkan untuk emisi SX. Posisi puncak SX ini juga dilengkapi dengan Persamaan. 1, yang juga mengkonfirmasi emisi SX terkait dengan transisi celah pita dekat. Parameter hasil fitting untuk CdS NB dan NW dikumpulkan pada Tabel 1. Nilai selisih Misalnya (0) antara CdS NB dan NW adalah 3 meV. Jelas, konstanta kopling eksiton-fonon α dan energi fonon rata-rata Θ dari CdS NWs lebih kecil dari pada CdS NBs. Hasil ini juga menunjukkan bahwa kopling exciton-LO-phonon yang melemah ada dalam sampel CdS NWs, yang disebabkan oleh sebagian simetri translasi jarak jauh hancur [28].

Gambar 3a menyajikan spektrum PL yang bergantung pada daya dari sampel CdS NBs pada suhu kamar. Puncak emisi pada 2,44 eV adalah rekombinasi radiasi SX, sedangkan pita emisi yang berpusat pada 2,06 eV mungkin berasal dari cacat tingkat dalam seperti interstisial Cd, ikatan menjuntai, cacat permukaan, atau kekosongan S [29,30,31] . Hubungan antara daya eksitasi I ₀ dan intensitas emisi terpadu I dapat dinyatakan sebagai berikut [32]:

a Spektrum PL dari CdS NB di bawah daya eksitasi yang berbeda pada suhu kamar, insetnya adalah intensitas terintegrasi SX dengan daya eksitasi. b Spektrum PL CdS NWs di bawah daya eksitasi yang berbeda pada suhu kamar, inset adalah intensitas terintegrasi SX dengan daya eksitasi

dimana Aku ₀ adalah kepadatan daya eksitasi, η mewakili efisiensi emisi dan eksponen α menunjukkan mekanisme rekombinasi. Intensitas puncak emisi terus meningkat dengan meningkatnya daya eksitasi. Sisipan dari Gambar 3a menggambarkan intensitas PL dari emisi SX dalam CdS NB sebagai fungsi dari kerapatan daya laser, dan garis padat menyajikan hasil pemasangan Persamaan. 2. Untuk emisi SX, eksponen adalah sekitar 1, yang menunjukkan emisi SX masih rekombinasi eksitonik pada suhu kamar.

Berbeda dengan hasil CdS NBs, emisi tingkat dalam (DLE) lebih jelas dalam sampel CdS NWs (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b). Ini dapat dijelaskan karena CdS NWs memiliki lebih banyak cacat permukaan karena rasio permukaan-ke-volume yang lebih besar. Sisipan Gambar 3b memberikan plot intensitas PL terintegrasi sebagai fungsi daya eksitasi, yang dapat dilengkapi dengan Persamaan. 2. Parameter pas α sampel CdS NWs sama dengan 1,07, yang juga mendukung emisi SX bersifat eksiton.

Gambar 4 menampilkan rasio intensitas PL terintegrasi dari emisi DLE dan SX dalam sampel CdS NBs dan NWs. Jelas bahwa DLE dalam CdS NBs mengambil peran dominan dalam spektrum PL pada kondisi eksitasi rendah karena DLE/SX lebih tinggi dari 1. Kemudian, nilainya menurun dengan peningkatan daya eksitasi, yang berarti emisi SX naik lebih tinggi rasio dari emisi DLE. Di sisi lain, DLE sampel CdS NWs menunjukkan rasio yang lebih tinggi hingga 2,8 dan turun perlahan dengan daya eksitasi yang meningkat. Hasil ini menegaskan emisi DLE mendominasi spektrum di CdS NWs. Meskipun rasio permukaan-ke-volume yang lebih besar dapat menyebabkan lebih banyak emisi SX, tetapi DLE juga menjadi lebih tinggi pada saat yang sama. Jelas bahwa lebih banyak pembawa dalam keadaan energi yang lebih tinggi pertama-tama akan bersantai ke keadaan DLE dan kemudian melakukan rekombinasi radiasi (emisi DLE) dalam sampel CdS NWs. Efek samping umum dari emisi DLE adalah efek termal, sehingga dapat mempengaruhi sifat optik CdS NB dan NW.

Rasio intensitas PL terintegrasi dari emisi DLE dan emisi SX dalam sampel CdS NB dan NWs pada suhu kamar

Selanjutnya, laser berdenyut 355-nm digunakan sebagai sumber eksitasi untuk menyelidiki tindakan penguat dalam struktur nano CdS. Gambar 5 menunjukkan spektrum PL yang bergantung pada daya dari CdS NBs pada suhu kamar. Untuk mendapatkan ambang penguat, intensitas PL terintegrasi diplot sebagai fungsi dari rapat daya rata-rata seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Peningkatan superlinear dari intensitas emisi dan fitur tajam terjadi ketika kepadatan daya rata-rata sekitar 608,13 mW/cm ² . Dan intensitas daya sesaat dari ambang penguat adalah 3,04 GW/cm ² . Dengan peningkatan lebih lanjut dari kepadatan pompa, pusat puncak penguat memiliki tren pergeseran merah (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a), yang menunjukkan puncak penguat dapat dianggap berasal dari rekombinasi plasma elektron-hole (EHP) [33, 34]. Namun, ketika kepadatan daya meningkat di atas 13 W/cm ² atau lebih, intensitas puncak penguat cenderung menurun. Jika lebih meningkatkan kepadatan daya, sampel akan rusak di tempat laser eksitasi. Hal ini dapat dianggap berasal dari efek termal yang meningkat dengan densitas pompa.

Spektrum penguat yang bergantung pada daya dari CdS NB pada suhu kamar, inset a menunjukkan tren puncak emisi penguat, inset b adalah intensitas puncak terintegrasi sebagai fungsi daya eksitasi, dan inset c mewakili intensitas PL dari NB CdS dan plot NW sebagai fungsi waktu, kedua sampel tereksitasi di bawah laser berdenyut 355 nm dengan kerapatan daya 12,8 W/cm ²

Sayangnya, tidak ada aksi penguat yang dapat diamati pada sampel CdS NWs. Perlu disebutkan bahwa ambang kerusakan sampel CdS NWs adalah sekitar 2,65 mW/cm ² , yang jauh lebih rendah dari ambang batas penguat dalam sampel CdS NB. Hasil ini dapat dianggap berasal dari efek samping (efek termal) dari emisi DLE yang masif di CdS NWs. Untuk kepentingan mengamati stabilitas emisi penguat di CdS NB dan stabilitas emisi SX di CdS NW, Gambar 5c menggambarkan intensitas PL dari dua sampel sebagai fungsi waktu (dari 0 hingga 200 detik) di bawah daya eksitasi 12,8 W /cm ² . Sampel CdS NB menunjukkan emisi laser yang stabil, sedangkan CdS NWs menunjukkan emisi PL, dan intensitas PL menurun dengan cepat seiring waktu sejak awal.

Hasil PL ini berarti emisi penguat terkait SX stabil dalam sampel CdS NB, tetapi ambang kerusakan yang lebih rendah untuk membatasi kinerja emisi dalam sampel CdS NWs. Dalam kasus kami, emisi penguat terkait SX dapat ditingkatkan dengan rasio permukaan-ke-volume yang lebih besar, tetapi efek samping (seperti efek termal) dari transisi level dalam permukaan dapat menjadi masalah kritis untuk menghambat aplikasi penguatnya.