Peningkatan Fotoluminescensi dan Pengikatan Elektron-Fonon pada Nanowires CdS Doped Sn(IV): Pengaruh Konsentrasi Dopan

Abstrak

Nanowires CdS doped Sn(IV) berkualitas tinggi disintesis melalui jalur penguapan termal. Kedua XRD dan spektrum pencitraan Raman mengonfirmasi efek doping. Fotoluminescensi (PL) suhu kamar menunjukkan bahwa emisi dekat celah bandgap dan emisi keadaan terjebak diskrit muncul secara bersamaan dan signifikan, yang disebabkan oleh penangkapan eksiton yang kuat oleh impuritas dan pengikatan elektron–fonon selama transportasi cahaya. Rasio intensitas PL emisi dekat celah bandgap terhadap emisi keadaan terjebak dapat diatur melalui konsentrasi Sn(IV) yang di-dope dalam nanowires CdS. Menariknya, emisi keadaan terjebak menunjukkan puncak yang terpisah dengan baik dengan bantuan fonon 1LO, 2LO, 4LO, menunjukkan penguatan pengikatan elektron–fonon dalam nanowires CdS yang di-dope ini. Pengaruh dopan Sn(IV) lebih lanjut terungkap melalui profil pengurai waktu hidup PL. Mikro-cavity optik juga memainkan peran penting dalam proses emisi ini. Hasil kami akan membantu dalam pemahaman interaksi pembawa yang di-modulasi doping, penangkapan dan rekombinasi dalam struktur nano satu dimensi (1D).

Pendahuluan

Akhir-akhir ini, nanowires satu dimensi (1D) menarik perhatian karena dapat berfungsi sebagai blok pembangun perangkat dan sistem nano terintegrasi [1,2,3,4]. Khususnya, 1D kristal tunggal semikonduktor II–VI celah lebar, seperti CdS dengan celah bandgap langsung 2,6 eV pada suhu kamar, telah dipelajari luas karena properti fotonik, elektronik dan optoelektronik yang unggulnya. Ada banyak laporan tentang laser nanowires/nanobelt CdS, gelombang lentur optik, detektor foto, transistor efek medan dan perangkat logika [5,6,7,8]. Banyak interaksi pembawa intrinsik, seperti: plasma elektron–lubang, pengikatan elektron–fonon, pencaran eksiton–fonon, interaksi eksiton–eksiton dan polariton eksitonik, berlaku dengan cara baru di skala nanometer [9,10,11,12,13]. Kekuatan interaksi terkait sangat bergantung pada ukuran struktur nano, sehingga mempengaruhi properti optik/optoelektronik secara besar [14]. Misalnya, efek penahanan kuantum dan pengikatan elektron–fonon akan menjadi sangat penting ketika memperkenalkan keadaan terlokalisasi.

Rekayasa celah melalui penyesuaian ukuran atau komposisi biasanya diadopsi untuk mewujudkan panjang gelombang/warna laser dan luminescensi yang bervariasi. Sebagai semikonduktor polar dengan konstanta pengikatan elektron–fonon LO sebesar 0,65, diharapkan modifikasi energi eksiton dalam struktur nano CdS karena interaksi Fröhlich yang kuat dan potensi deformasi [15]. Misalnya, Zou et al. [16] melaporkan emisi terpacu eksiton bipolaronik dalam nanowires CdS tunggal pada suhu kamar. Lieber et al. [17] melaporkan interaksi eksiton–eksiton untuk laser dalam nanowires CdS hingga 75 K, sementara proses eksiton–fonon pada suhu yang lebih tinggi. Selain itu, plasma elektron–lubang (EHP) dan proses resonansi optik Fabry–Perot (F-P) juga dapat bertanggung jawab atas emisi terpacu nanowires CdS yang tersusun, meskipun rentang panjang gelombang yang dapat diatur kecil dan EHP sering merusak nanowires [18]. Contoh-contoh ini menunjukkan bahwa penyesuaian pengikatan elektron–fonon Fröhlich sepanjang propagasi cahaya axial 1D adalah cara yang wajar untuk mewujudkan emisi atau panjang gelombang laser yang bervariasi. Akhir-akhir ini, nanowires CdS cabang telah ditumbuhkan melalui rute templat nanowires Sn di bawah pemanasan termal dan menunjukkan properti gelombang lentur optik yang menarik [19].

Di sini dalam tulisan ini, kami melaporkan sintesis nanowires Sn–CdS dengan menggunakan SnO₂ sebagai katalis dan dopan, dan properti PL serta pengikatan elektron–fonon yang anomali. Kedua emisi dekat celah bandgap dan emisi in-gap muncul secara bersamaan dalam PL nanowires yang disintesis. Yang terakhir bahkan menunjukkan mode gelombang lentur terkait cavity. Alasan dari fenomena ini berasal dari doping Sn(IV) ke dalam nanowires CdS untuk menghasilkan banyak pusat penangkap. Pengikatan elektron dengan fonon menyebabkan peningkatan emisi anomali dengan gelombang lentur dan penyesuaian warna dalam rentang yang sangat besar.

Metode

Sintesis Nanowires CdS Doped Sn

Penguapan termal digunakan untuk menyintesis nanowires CdS doped Sn. Bubuk CdS dan SnO₂ komersial dengan rasio berat 1:1 dicampur sepenuhnya dengan menggerus selama 30 menit dan kemudian digunakan sebagai bahan sumber, yang dimuat pada perahu seramik alumina dan ditempatkan di tengah tabu kuarsa. Mengubah rasio berat CdS terhadap bubuk SnO₂ digunakan untuk menumbuhkan nanowires CdS dengan konsentrasi dopan Sn yang berbeda. Wafer Si bersih tanpa katalis ditempatkan di zona hilir untuk mengumpulkan produk. Gas pembawa campuran Ar(95%)/H₂(5%) diperkenalkan ke dalam tabu kuarsa dengan laju alir konstan 10 SCCM (centimeter kubik standar per menit) untuk menghilangkan O₂ di dalam sebelum pemanasan. H₂ mungkin menghasilkan atmosfer redutif dan dapat mencegah oksidasi serta meningkatkan hasil nanowires CdS. Pemanas dipanaskan cepat ke 1000 °C dalam 10 menit dan dipelihara pada suhu tersebut selama 60 menit tanpa mengubah kondisi apa pun sebelum pendingin secara alami ke suhu kamar. Produk yang disintesis ditemukan pada permukaan substrat Si dan dinding dalam tabu kuarsa di zona 5 cm jauh dari bahan sumber, di mana suhu pertumbuhan lokal berada dalam rentang 400–450 °C.

Karakterisasi Struktur dan Properti Optik

Struktur, morfologi dan komposisi produk yang diperoleh dikarakterisir dengan difraksi X-ray bubuk (XRD, Bruker D8 Advance), mikroskop elektron pemindaian (SEM, JSM-6700F), spektroskopi dispersi energi (EDS). Spektrum pencitraan Raman dilakukan dalam mikroskop konfokal (LABRAM-010) menggunakan laser He–Ne (632,8 nm) sebagai sumber cahaya excitasi, yang difokuskan ke dalam titik dengan diameter 3 μm pada sampel. Gelombang lentur optik dan PL dilakukan menggunakan mikroskopi optik near-field komersial (SNOM, Alpha 300, WITec). SNOM memiliki kemampuan untuk mencapai citra optik resolusi spasial tinggi dari struktur nano dan secara bersamaan mengukur spektrum PL-nya. Dengan peralatan ini, berkas laser Ar⁺ (488 nm) yang difokuskan menyinari nanowire tunggal yang telah ditambal sebelumnya pada substrat kuarsa. Kamera CCD kromatik melalui lensa objektif digunakan untuk mengumpulkan citra optik. Spektrum PL dari seluruh nanowire CdS doped Sn individu secara langsung dikumpulkan dan dikaitkan ke dalam spektrometer fluoresensi. Dalam semua eksperimen optik, sinyal excitasi menyinari permukaan sampel secara tegak lurus.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a, b menunjukkan citra morfologi nanowires yang terbentuk pada tahap awal dan waktu pertumbuhan 60 menit, masing-masing. Nanowires pada tahap awal biasanya mengandung bola besar di ujung dan kawat panjang yang terhubung dengan bola. Diameter nanowire berkisar dari 200 nm hingga 2 μm dan panjang hingga ratusan mikrometer. Analisis EDS menunjukkan bola adalah Sn (Gambar 1c), sementara kawat didominasi CdS (Gambar 1d). Mengejutkan bahwa Cd:S selalu kurang dari 1. Puncak shake-up di atas elemen Cd menunjukkan kemungkinan distribusi Sn dalam kawat, meskipun tidak dapat dibedakan langsung melalui EDS. Diketahui bahwa SnO₂ dapat terdekomposisi menjadi Sn atau Sn(IV) dan O₂, sementara bubuk CdS membentuk uap Cd, S dan CdS pada suhu tinggi. Sn yang terbentuk setelah dekomposisi mungkin ada dalam bentuk gas atau titik cair kecil (mp 232 °C, bp 2602 °C). Gas atau titik cair ini kemudian ditransportasi ke zona suhu rendah oleh gas pembawa dan menumpuk sebagai lapisan cair, yang bereaksi dengan uap CdS yang tiba dan menghasilkan lapisan legur cair Sn–CdS untuk inisiasi pertumbuhan nanowires CdS doped Sn. Oleh karena itu, nanowires mengikuti proses pertumbuhan vapor–liquid–solid (VLS) [20], di mana partikel katalis Sn atau titik cair bertanggung jawab untuk pertumbuhan nanowires CdS selama lapisan legur terus mengumpulkan uap Sn dan CdS. Nanowires memiliki morfologi mirip giratang pada tahap awal, dan permukaan halus. Liu et al. [21] menyintesis struktur nano CdS cabang dengan menggunakan Sn kecil sebagai katalis dan situs nukleasi kedua. Dalam eksperimen kami, Sn menyebar dan di-dope ke dalam jaringan nanowires CdS dan belum mencapai super-saturasi untuk menumpulkan sebagai situs nukleasi kedua. Jadi produk yang disiapkan memiliki morfologi lurus alih-alih persimpangan cabang.

Peningkatan Fotoluminescensi dan Pengikatan Elektron-Fonon pada Nanowires CdS Doped Sn(IV): Pengaruh Konsentrasi Dopan

Pola difraksi X-ray nanowires yang disiapkan ditunjukkan pada Gambar 2. Fase kristalografis dalam kesepakatan baik dengan CdS hexagonal wurtzite (kartu JCPDS: 41-1049) dengan konstanta jaringan a = 4,141 Å dan c = 6,720 Å. Oleh karena itu, nanowires yang disiapkan dapat ditetapkan sebagai wurtzite CdS. Selain itu, puncak difraksi Sn (kartu JCPDS: 4-673 untuk tetragonal dengan konstanta jaringan a = 5,831 Å dan c = 3,182 Å) terlihat jelas, menunjukkan bahwa sejumlah besar Sn ada di ujung nanowires CdS. Puncak difraksi yang kuat dan tajam ini menunjukkan kualitas kristal yang tinggi dari nanowires yang disiapkan.

Gambar 3a, b menunjukkan spektrum pencitraan mikro-Raman nanowire tunggal dengan konsentrasi dopan yang berbeda pada suhu kamar. Dua puncak kuat pada 296 dan 592 cm⁻¹ ditandai sebagai 1LO dan 2LO dari CdS, masing-masing [22]. Polarisasi dalam sumbu Z berikatan kuat dengan elektron atau eksiton. Kekuatan pengikatan elektron–fonon LO dalam struktur semikonduktor 1D dapat ditingkatkan secara besar karena pembatasan fonon dalam arah melintang dan transportasi yang nyaman dari eksitasi elementer (eksiton dan foton) dalam arah berjajar. Kekuatan pengikatan elektron–fonon dalam semikonduktor dapat dinilai dari rasio intensitas fonon overtone terhadap fonon dasar (\(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}}\)) [23]. Dalam hasil kami, rasio intensitas yang besar dari \(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}}\) (1,67) mencerminkan pengikatan elektron–fonon LO yang lebih kuat dalam nanowires Sn–CdS ini daripada nanowires CdS murni 1D dengan \(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}}\) sebesar 1,52. Empat mode fonon lainnya (208, 320, 337, 357 cm⁻¹) diamati dalam spektrum pencitraan Raman, yang bukan merupakan mode fonon intrinsik CdS. Setelah pemeriksaan yang cermat, mode-mode ini ditetapkan sebagai mode getaran impuritas \(E_{{\text{g}}}\), \(A_{{{\text{1g}}}}\), \(A_{{2{\text{u}}({\text{TO}})}}\), \(A_{{2{\text{u}}({\text{LO}})}}\) dari Sn(IV)S₂ yang di-dope, masing-masing [24, 25]. Sangat menarik, kita bahkan dapat mengamati mode IR aktif (\(A_{{2{\text{u}}({\text{TO}})}}\), \(A_{{2{\text{u}}({\text{LO}})}}\)) SnS₂ dalam spektrum Raman, menunjukkan relaksasi yang signifikan dari aturan transisi di bawah bantuan elektronik, yaitu, penangkapan pembawa. Karena kristal adalah uniaxial dan ketika arah propagasi fonon tidak sepanjang sumbu prinsip kristal, beberapa mode inframerah dan Raman mungkin aktif secara bersamaan karena interaksi elektron–fonon atau eksiton–fonon [26]. Deformasi kristal yang meningkat dan fluktuasi struktur sekitar karena dopan Sn dalam nanowires CdS berkontribusi sebagian pada aktivasi inframerah yang lemah [27]. \(A_{{2{\text{u}}}}\) adalah mode akustik, kehadirannya menyiratkan interaksi yang menonjol antara elektron dengan fonon akustik lokal dan di dalamnya berkontribusi sebagian pada properti emisi anomali dalam nanowires Sn–CdS. Mode getaran impuritas yang diamati lebih lanjut menunjukkan doping Sn(IV) yang berhasil dengan jumlah tertentu ke dalam nanowires, yang memodifikasi properti optik secara besar. Kami melakukan pengukuran spektroskopi fotoelektron X-ray (XPS) pada nanowires Sn–CdS ini. Namun, tidak dapat membedakan apakah konten Sn yang terdeteksi berasal dari bola ujung atau kawat nanowire karena resolusi spasial XPS yang rendah. Selain itu, konten Sn terlalu rendah untuk terdeteksi dengan menggunakan spektroskopi dispersi energi (EDS). Di sini, kami menentukan secara kualitatif konsentrasi Sn yang lebih tinggi atau lebih rendah dalam kawat nanowire dengan menggunakan spektrum Raman. Seperti yang ditunjukkan pada spektrum Raman, rasio intensitas mode CdS terhadap mode SnS₂ berkurang seiring dengan peningkatan rasio SnO₂ terhadap CdS dalam bubuk sumber, yang menunjukkan konsentrasi dopan Sn yang tinggi secara kualitatif.

Pengukuran PL sangat kuat untuk menentukan cacat struktur dan impuritas dalam struktur nano semikonduktor. Untuk sistem pengikatan elektron–fonon Fröhlich yang lemah, PL dimodifikasi dengan memperkenalkan dopan, yang akan mempengaruhi pembentukan potensi dan koefisien coupling fonon–foton. Pita emisi dapat menunjukkan replika multi-fonon ketika dopan terletak pada level dalam. Pita emisi eksiton bahkan runtuh menjadi pita lebar atau pita satelit keadaan perangkap dalam dalam sistem coupling kuat. Kami mengukur gelombang lentur optik dan spektrum PL nanowire Sn–CdS lurus tunggal (konsentrasi dopan < 0,01%) untuk mengeksplorasi efek doping dan pengikatan elektron–fonon berdasarkan rasio intensitas emisi dekat celah bandgap terhadap emisi keadaan terjebak. PL in situ nanowire Sn–CdS tunggal begitu kuat sehingga dapat dengan mudah dicitrakan dengan kamera CCD berwarna dan terlihat dengan mata telanjang (Gambar 4a). Citra optik bright-field nanowire Sn–CdS yang sesuai ditunjukkan pada inset Gambar 4a. Sebagian emisi dapat merambat melalui sumbu dan memancar di ujung nanowire bahkan pada daya excitasi rendah, menunjukkan properti gelombang lentur optik yang unggul dari nanowire CdS yang di-dope. Kami dapat mengamati bahwa warna emisi in situ adalah kuning-hijau, sementara warna emisi di ujung adalah merah setelah transportasi jarak jauh (Gambar 4a). Pan et al. melaporkan perubahan warna emisi dengan jarak yang berbeda dalam struktur nano 1D CdS yang dipadatkan Se dan mengaitkannya dengan perpindahan pita ekor karena perubahan komposisi dan tingkat kristalisasi [28]. Faktanya, efek peningkatan pengikatan elektron–fonon tidak dapat diabaikan. Dalam nanowires CdS yang di-dope Sn langka saat ini, alasan perubahan warna emisi berasal dari eksiton terjebak oleh impuritas dan pengikatan e-p yang ditingkatkan selama transportasi cahaya melalui sumbu c. Gambar 4b adalah PL far-field bergantung daya excitasi. Emisi pada 509 nm ditandai sebagai emisi dekat celah bandgap, sementara pita emisi lebar lainnya pada energi lebih rendah ditandai sebagai emisi keadaan terjebak. Intensitas semua pita emisi meningkat cepat dengan daya excitasi, sementara emisi dekat celah bandgap meningkat hanya sedikit lebih cepat daripada emisi keadaan terjebak. Fenomena ini berbeda dari keadaan perangkap dalam tradisional, di mana intensitas emisi dekat celah bandgap meningkat sangat besar dengan peningkatan daya excitasi. Selang energi antara pita keadaan terjebak berseberangan adalah 229,7, 239,8, 267,3, 268,3, 277, 318,6, 312,1, 300,6 cm⁻¹, yang meningkat sedikit ke arah nomor gelombang yang lebih panjang dan mendekati energi fonon LO (296 cm⁻¹). Profil multi-fonon ini menunjukkan pengikatan e-p nonlinier keadaan terjebak [29]. Eksiton terjebak masih mempertahankan koherensi mereka selama transportasi cahaya dan bersintering dengan ion tim di-dope untuk emisi yang koheren. Jadi, penyimpangan kecil selang energi dari energi fonon LO mungkin disebabkan oleh peningkatan jarak perjalanan cahaya, yang menunjukkan lokalisasi yang tidak lengkap dari keadaan perangkap dalam. Eksiton ini lebih suka menyelaraskan sepanjang garis dalam struktur nano pembatasan 2D dan berikatan untuk membentuk agregasi eksiton baru. Jelas, agregasi itu sendiri mewakili korelasi nonlinier antara eksiton dan menghasilkan kekuatan osilator raksasa, menghasilkan respons optik nonlinier [30, 31]. Untuk bahan nano yang tidak sempurna dengan banyak impuritas atau cacat, deformasi kristal yang diinduksi oleh impuritas atau cacat dapat secara signifikan memodifikasi pengikatan elektron–fonon dan selalu menginduksi emisi yang dibantu nLO fonon, selain emisi dekat celah bandgap [32,33,34]. Profil emisi multi-fonon ini mirip dengan proses terowong Raman urutan tinggi dalam serat silika dan perbedaannya terletak pada kontribusi keadaan nyata untuk pita emisi. Dilaporkan bahwa jumlah (n) dari proses pencaran multi-fonon berbanding lurus dengan koefisien coupling polaron α, yaitu, perpindahan frekuensi maksimum \(n\omega_{{{\text{LO}}}}\) berbanding lurus dengan energi deformasi (0,5 \(\alpha h\omega_{{{\text{LO}}}}\)) [35]. Oleh karena itu, spektrum PL saat ini menunjukkan potensi deformasi yang sangat besar dan pengikatan elektron–fonon yang kuat dalam nanowires Sn–CdS.

Konsentrasi Sn(IV) yang di-dope dalam nanowires CdS meningkat dengan rasio SnO₂ terhadap CdS dalam prekursor, menghasilkan spektrum PL yang serupa dengan emisi dekat celah bandgap yang jauh lebih lemah sementara emisi impuritas yang lebih kuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Ini mewakili pengikatan e-p yang ditingkatkan dalam sistem ini. Berbeda dari Gambar 4b, rasio intensitas emisi dekat celah bandgap terhadap keadaan terjebak menurun menjadi 0,05–0,10 dengan daya excitasi yang bervariasi. Intensitas emisi keadaan terjebak meningkat lebih cepat daripada emisi dekat celah bandgap dengan peningkatan daya excitasi, menunjukkan pencaran yang relatif lebih kuat oleh impuritas dan fonon. Selang energi antara pita emisi impuritas berseberangan adalah 272,7, 325, 324, 311,9, 364,3, 372,6, 309,1, 297,1, 371,5, 375,4, 410,7, 387,1 cm⁻¹, yang mendekati energi fonon LO (296 cm⁻¹). Penyimpangan yang lebih besar ini mencerminkan excitasi bertahap dalam gelombang lentur optik aktif dan menunjukkan lebih banyak ion Sn yang di-dope ke dalam nanowires untuk menghasilkan pengikatan elektron–fonon yang lebih kuat.

Ada spektrum PL menarik lainnya dari nanowires CdS doped Sn (Gambar 6). Dalam nanowires dengan konsentrasi dopan yang lebih tinggi, emisi dekat celah bandgap sangat lemah, sementara emisi keadaan terjebak memerankan peran dominan. Selang energi antara pita emisi impuritas berseberangan adalah 488, 581,9, 655,4, 683,3, 683,8 cm⁻¹, yang meningkat sedikit dan mendekati energi fonon 2LO (592 cm⁻¹). Intensitas emisi yang dibantu fonon 2LO menunjukkan peningkatan yang signifikan dengan daya excitasi. Munculnya emisi yang dibantu fonon 2LO menyiratkan pengikatan elektron–fonon 2LO yang kuat, sesuai baik dengan spektrum pencitraan Raman yang menunjukkan mode Raman 2LO yang kuat (Gambar 3). Fenomena menarik ini tidak dapat dipahami dengan jelas dengan konsep biasa. Dilaporkan bahwa mode optik berjajar berikatan dengan elektron dalam satu pikosan [23]. Jika pasangan Sn-Sn terbentuk dalam situasi dopan tinggi, pengikatan elektron–fonon 1LO mungkin menyebabkan pasangan terikat seperti eksiton bipolaronik pada lokasi terikat. Status eksiton bipolaronik (elektron–fonon 2LO) ini mungkin memancarkan cahaya secara koheren, yang sering terjadi pada pusat terjebak dengan umur panjang, sementara pita emisi yang dibantu 1LO tidak dapat terpecahkan dengan baik setelah panjang transportasi yang panjang dan relaksasi waktu singkat. Oleh karena itu, emisi yang dibantu 2LO mungkin mendominasi dalam nanowires dengan konsentrasi dopan yang lebih tinggi. Dopan yang lebih menyebabkan fenomena anomali yang lebih besar. Mungkin terjadi dislokasi struktural dan pembentukan fase kubik. Gambar 6d menunjukkan spektrum PL serupa dari nanowire di-dope dengan peningkatan konsentrasi Sn(IV) lebih lanjut. Pita emisi pada 530 nm dan 541 nm dapat ditandai sebagai emisi dekat celah bandgap fase wurtzite dan zinc-blende CdS, masing-masing [36]. Selisih energi \(\Delta E^{{{\text{WZ}} - {\text{ZB}}}}\) adalah 0,048 eV dalam kasus ini, sejalan dengan fakta bahwa selisih energi celah bandgap WZ dan ZB CdS kurang dari 0,1 eV [37, 38]. Hal yang lebih penting adalah selang energi antara pita emisi keadaan terjebak berseberangan yang menunjukkan nilai-nilai 1100,2, 1230,6, 1218,7 cm⁻¹, yang mendekati energi fonon 4LO (1184 cm⁻¹). Efek overtone ini menunjukkan pengikatan elektron–fonon urutan lebih tinggi dalam nanowires Sn–CdS.

Untuk menyelidiki mekanisme emisi yang berbeda, kami melakukan pengukuran pengurai PL pada emisi dekat celah bandgap dan emisi keadaan terjebak di bawah excitasi laser pulsa ps farva N₂ pada 400 nm (Gambar 7). Emisi dekat celah bandgap terletak pada 520 nm, sementara emisi perangkap dalam jauh berkisar dari 550 hingga 750 nm dan berpusat pada 609 nm (Gambar 7a), sesuai dengan PL nanowire tunggal yang diselidiki oleh SNOM. Profil pengurai waktu hidup 520 nm dan 609 nm, 625 nm, 640 nm ditunjukkan pada Gambar 7b, c. Waktu pengurai 520 nm dan 609 nm dipasangkan dengan fungsi eksponensial multi, menunjukkan konstanta waktu 0,3227 ns (22,90%), 4,2585 ns (25,86%), 26,4584 ns (35,31%), 289,1292 ns (15,92%) dan 0,1309 ns (60,41%), 0,6641 ns (8,39%), 24,8286 ns (20,86%), 194,1492 ns (10,35%), masing-masing. Waktu hidup PL pita 640 nm, 625 nm dan 609 nm menunjukkan profil dan parameter waktu hidup yang hampir sama. Hasil ini bertentangan dengan yang dilaporkan sebelumnya [18]. Proses relaksasi energi nanowire CdS murni di bawah daya excitasi yang berbeda hanya mengalami interaksi elektron–fonon dan eksiton–eksiton. Untuk nanowires CdS doped Sn, interaksi lain seperti keadaan perangkap dalam dan efek cavitiy harus berpartisipasi dalam proses relaksasi. Diagram skematis proses pengurai diberikan pada Gambar 7d. Pembawa muatan yang diisi dalam perangkap dan eksiton coexist dan relaks ke tepi celah konduksi dari celah yang diperluas yang lebih tinggi setelah excitasi dan banyak dari mereka terperangkap oleh keadaan impuritas ke dalam celah bandgap. Interaksi antara pembawa dari berbagai level impuritas atau status pasangan juga terlibat dalam rekombinasi eksiton dan memancar di cavitiy optik aktif, yang sesuai dengan waktu pengurai yang berbeda yang diamati. Ada sebagian pembawa yang terpencar keluar dari satu level perangkap dalam dan terperangkap lagi oleh level perangkap rendah ((1), (2), (3), (4) proses rekombinasi dalam Gambar 7d). Untuk emisi celah bandgap, konstanta waktu cepat seperti 0,3227 ns harus sesuai dengan rekombinasi langsung pembawa, sementara konstanta waktu lainnya mungkin sesuai dengan rekombinasi radiasi eksiton terikat (4,2585 ns) dan pembawa dangkal terjebak di antara pita energi impuritas dan celah valensi (puluhan hingga ratusan ns). Untuk emisi keadaan terjebak, waktu hidup yang jauh lebih pendek < 1 ns dan komponen lainnya mencerminkan interaksi pembawa–pembawa dan pembawa–fonon yang kaya, menunjukkan karakteristik khas keadaan terjebak.

Kesimpulan

Ringkasannya, kami menyintesis nanowires CdS doped Sn berkualitas tinggi dengan metode penguapan termal sederhana dan menunjukkan properti optik menarik mereka. XRD dan spektrum pencitraan Raman mengonfirmasi bahwa Sn(IV) berhasil di-dope ke dalam nanowires CdS. Kedua emisi dekat celah bandgap dan emisi keadaan terjebak diamati secara bersamaan dalam nanowire tunggal yang di-dope. Analisis lebih lanjut dari emisi keadaan terjebak versus emisi dekat celah bandgap menunjukkan pengikatan elektron–fonon nonlinier. Nanowires CdS yang di-dope dengan konsentrasi dopan Sn yang bervariasi mengungkapkan pita emisi yang dibantu replika multi-fonon (1LO, 2LO, 4LO) yang terpisah dengan baik, menunjukkan pengikatan elektron–fonon yang ditingkatkan dan keadaan terjebak yang signifikan. Pengurai waktu hidup menunjukkan relaksasi multi-komponen dan mencerminkan saluran rekombinasi variabel dari pembawa yang dihasilkan cahaya. Nanowires CdS doped Sn ini mungkin menemukan aplikasi potensi dalam perangkat pemancar cahaya dan sistem nano-fotonik.

Survei Prinsip-Pertama tentang Perangkat Nano Doped Listrik Perilaku Fotoelektrik Bergantung Ukuran pada Nanowires Silikon Tunggal

bahan nano