Pengasingan Termal Meningkatkan Emisi pada Film Titik Kuantum InP/ZnS: Wawasan Fotoluminescensi

Abstrak

Kami menginvestigasi bagaimana pengasingan termal pasca meningkatkan performa optik film titik kuantum (QD) inti-kulora InP/ZnS. Intensitas emisi meningkat setelah pengasingan pada 180 °C selama 5 menit. Pengukuran fotoluminescensi yang bergantung pada suhu (TDPL) dan PL yang bergantung pada daya mengungkapkan bahwa bahu energi rendah sesuai dengan emisi keadaan lokal, sementara puncak energi tinggi timbul dari rekombinasi pembawa bebas. Untuk sampel yang dipanaskan pada 180 °C, lebar setengah maksimum (FWHM) emisi keadaan lokal tetap hampir konstan hingga 250 K sebelum menyempit dengan kenaikan suhu lebih lanjut, sedangkan film yang tidak dirawat menunjukkan penurunan FWHM yang jelas dengan suhu. Observasi ini menunjukkan bahwa pengasingan termal memodifikasi distribusi keadaan lokal, meningkatkan emisi pembawa bebas dan memperbaiki properti optik yang relevan untuk perangkat. Temuan ini relevan bagi pengembangan elektroluminescensi titik kuantum dan perangkat pencahayaan konversi turun.

Pendahuluan

Titik kuantum koloidal (QD) memegang peran penting dalam layar, spektroskopi, sensor, LED, laser, foto-elektrokimia, dan bio-labeling. QD berbasis InP menawarkan alternatif bebas Cd dengan bandgap yang setara dengan CdSe dan visibilitas penuh di seluruh spektrum visibel, sambil mengurangi kekhawatiran toksis. Namun, QD InP biasanya menunjukkan distribusi ukuran yang lebih lebar, dengan nilai FWHM PL sebesar 50–100 nm versus 20–30 nm untuk QD berbasis Cd, yang membatasi keurnian spektral.

Hasil kuantum fotoluminescensi rendah (< 1 %) berasal dari perangkap permukaan, ikatan yang terlepas, kesalahan tumpukan kristal, dan rintangan aktivasi yang tinggi untuk pusat perangkap. Strategi untuk meningkatkan emisi termasuk modifikasi ligan permukaan, pertumbuhan kulora epitaksial, dan pengasingan termal. Pengasingan dapat menghilangkan ligan organik, mengurangi jarak antar-QD, dan meningkatkan kopling elektronik, sehingga mengubah dinamika rekombinasi dan meningkatkan performa perangkat. Pemahaman sistematis tentang bagaimana pengasingan mempengaruhi rekombinasi pembawa dalam QD inti-kulora sangat penting.

Dalam studi ini, kami memproduksi film QD inti-kulora InP/ZnS dengan spin-coating dan menyubjektifkannya pada pengasingan pasca pada berbagai suhu. Spektra PL pada 300 K mengungkapkan bahwa hanya sampel yang dipanaskan pada 180 °C yang menunjukkan emisi yang ditingkatkan. Analisis PL yang bergantung pada suhu dan daya selanjutnya membandingkan film yang tidak dirawat dan yang dipanaskan pada 180 °C, menguraikan asal ciri spektral dan dampak pengasingan.

Metode

Nanokristal InP/ZnS disintesis mengikuti protokol yang established. Larutan 0,45 mmol klorida indium(III) dan 2,2 mmol klorida zinc(II) dilarutkan dalam 5 mL oleilamina dan di-degas pada 100 °C selama 30 menit sebelum dipanaskan hingga 220 °C di bawah nitrogen. Tris(dimetilamino)fosfin (0,25 mL) diinjeksikan untuk memulai pertumbuhan inti. Injeksi bertahap TOP-S dan Zn(stearate)₂ pada 3, 17, 30, 65, dan 90 menit, bersama dengan rampa suhu hingga 260 °C, menghasilkan inti InP 3,2 nm dengan kulora ZnS 2 nm. Hasil kuantum (QY) adalah 47 %.

Larutan QD dihaluskan dan spin-coated pada substrat silikon pada 1500 rpm selama 30 detik, menghasilkan film seragam. Tiga sampel dipanaskan pada 180, 200, dan 220 °C selama 5 menit dalam reaktor RTA terisi nitrogen (Accu Thermo AW410). Spektra PL direkam dengan sistem LAB-RAM Infinity menggunakan laser Ar⁺ 488 nm.

Hasil dan Pembahasan

Titik kuantum koloidal menunjukkan serapan pada 2,215 eV (560 nm) dan PL pada 1,914 eV (648 nm) dengan FWHM 70 nm. Dalam padatan film, bahu energi rendah tambahan muncul, yang disebabkan oleh klasterisasi QD dan keadaan lokal. Puncak A (1,80 eV, 0,140 eV FWHM) dan puncak B (1,923 eV, 0,151 eV FWHM) diidentifikasi melalui dekonvolusi Gaussian.

PL yang bergantung pada daya (Gambar 2) mengungkapkan eksponen α = 0,895 untuk puncak A dan α = 1,103 untuk puncak B, mengonfirmasi bahwa puncak A timbul dari keadaan lokal (α < 1) sementara puncak B sesuai dengan rekombinasi band-ke-band (α ≈ 1). Puncak A juga menunjukkan pergeseran biru-ringan seiring peningkatan daya, yang lebih mendukung sifat keadaan lokalnya.

Empat film dibandingkan pada 300 K (Gambar 3a). Pengasingan pada 180 °C meningkatkan intensitas PL absolut, sedangkan suhu lebih tinggi (200 °C, 220 °C) mengurangi emisi karena pengenalan pusat non-radiasi. Citra TEM (Gambar 3b,c) mengonfirmasi bahwa struktur kristal dan ukuran partikel (~3 nm) tetap tidak berubah setelah pengasingan.

Pengukuran TDPL (Gambar 4) melacak posisi puncak versus suhu. Puncak B mengikuti persamaan Varshni dengan parameter E_g(0) = 1,983 eV, α = 4,91 × 10⁻⁴ eV/K, β = 320 K untuk sampel yang tidak dirawat, dan pergeseran biru-ringan sebesar 8 meV setelah pengasingan, yang mengindikasikan inter-difusi pada antarmuka inti-kulora. Puncak A menunjukkan pergeseran merah di atas 200 K, yang khas untuk lolosnya pembawa dari perangkap dangkal. Setelah pengasingan, kedalaman keadaan lokal meningkat, menyempitkan FWHM pada suhu yang lebih tinggi (Gambar 6a). Perilaku ini ditangkap oleh model band energi (Gambar 6b) yang menggambarkan redistribusi eksiton lokal.

Pada 300 K, kedua film menunjukkan energi puncak yang serupa (A: 1,798 eV vs. 1,794 eV; B: 1,917 eV vs. 1,922 eV). Namun, FWHM puncak B meluas dari 0,1508 hingga 0,1761 eV setelah pengasingan, yang mencerminkan pengurangan peregangan tidak homogen.

FWHM versus suhu (Gambar 6a) menunjukkan bahwa film yang tidak dirawat menyempit dengan suhu, sedangkan film yang dipanaskan mempertahankan FWHM konstan hingga 250 K sebelum menyempit. Ini menunjukkan bahwa pengasingan menghilangkan perangkap dangkal, sehingga meninggalkan keadaan lokal yang lebih dalam yang bertahan hingga aktivasi termal.

Kesimpulan

Pengasingan termal pasca pada 180 °C selama 5 menit secara signifikan meningkatkan performa optik film QD inti-kulora InP/ZnS. Dengan menggabungkan pergeseran puncak yang bergantung pada suhu dan eksponen PL yang bergantung pada daya, kami secara kesimpulan menetapkan puncak A ke emisi keadaan lokal dan puncak B ke rekombinasi pembawa bebas. Pengasingan meningkatkan emisi pembawa bebas dengan menghilangkan perangkap dangkal, sementara keadaan lokal yang lebih dalam tetap ada. Temuan ini memberikan informasi untuk desain perangkat elektroluminescensi dan konversi turun berbasis QD yang efisien.

Singkatan

FWHM

Lebar setengah maksimum

PL

Fotoluminescensi

QDs

Titik kuantum

QY

Hasil kuantum

RTA

Pengasingan termal cepat

TDPL

Fotoluminescensi yang bergantung pada suhu

TEM

Mikroskopi transmisi elektron