Fotoluminesensi Stabil dan Reversibel Nanowire GaN dalam Larutan Akuatik Disesuaikan dengan Konsentrasi Ion

Abstrak

Kami melaporkan respons fotoluminesensi (PL) dari nanowire GaN tanpa perlindungan dalam larutan. Respons yang jelas tidak hanya terhadap pH tetapi juga terhadap konsentrasi ion pada pH yang sama. Nanowire tampak sangat stabil dalam larutan akuatik dengan konsentrasi ion tinggi dan nilai pH rendah hingga 1. Kami menunjukkan bahwa PL memiliki interaksi reversibel dengan berbagai jenis larutan asam dan garam. Status kuantum nanowire terpapar pada lingkungan eksternal dan memiliki interaksi fisik langsung yang tergantung pada anion asam. Seiring meningkatnya konsentrasi ion, intensitas PL naik atau turun tergantung pada spesies kimia. Respons ini berasal dari persaingan antara perubahan lentur energi permukaan dan transfer muatan ke level redoks dalam larutan. Itu dari film GaN dilaporkan untuk perbandingan karena efek lentur energi permukaan dapat diabaikan sehingga hanya ada variasi kecil dalam intensitas PL untuk film GaN. Selain itu, interaksi fisik ini tidak mempengaruhi puncak PL dalam asam dan garam, sedangkan ada pergeseran merah pada PL ketika nanowire berada dalam larutan basa, misalnya NH4OH, karena pengikisan kimia terjadi pada nanowire.

Pendahuluan

Kristal GaN telah dipilih sebagai bahan semikonduktor yang menjanjikan dengan sempit langsung yang luas 3,39 eV. Ia memiliki banyak sifat bahan yang baik yang telah diterapkan dalam aplikasi luas, seperti dioda emissi cahaya biru/ultraviolet [1, 2], optoelektronika [3, 4], perangkat suhu tinggi/daya tinggi [5, 6], dan transistor efek lapangan [7, 8]. Dibandingkan bahan volume, struktur nano satu dimensi secara intrinsik memiliki relaksasi jaringan yang efisien [9]. Oleh karena itu, mereka dapat ditumbuhkan dengan kurang defek kristal [10], dan ini merupakan manfaat utama di mana emisi fotoluminesensi (PL) dan sifat listrik terpengaruh oleh defek ini. Nanowire panjang menyediakan permukaan yang lebih besar untuk dimanfaatkan, yang bisa menjadi penggunaan besar dalam aplikasi sensor dan kimia [11, 12]. Selain itu, GaN stabil dan tidak terbatas pada vakum, yang memungkinkan aplikasi dalam lingkungan kimia.

Fotoluminesensi adalah salah satu properti yang paling umum digunakan untuk mempelajari status kuantum bahan [13, 14], karena PL berasal dari peluruhan radiatif status terangsang. Untuk bahan padat, interaksi PL dengan kondisi kimia sekitar memberikan cara untuk menyelidiki status terangsang. Interaksi permukaan ini juga dapat digunakan untuk sensor kimia dan citra [15, 16]. Namun, untuk sebagian besar bahan, PL degradasi di bawah lingkungan reaktif karena mudah ditekan oleh status defek permukaan atau oleh transfer pembawa yang dihasilkan foto ke spesies ionik dalam larutan [17, 18]. Khususnya, PL tidak stabil untuk sebagian besar semikonduktor organik dan anorganik dalam larutan air [19,20,21]. Akibatnya, untuk titik kuantum semikonduktor anorganik floresen, struktur inti–kulit sering diperlukan untuk melindungi status kuantum yang menghasilkan cahaya [21,22,23,24,25]. Oleh karena itu, interaksi antara kimia dalam larutan dan status kuantum menjadi lemah karena perlindungan.

Sensor pH optis diusulkan yang mengatasi masalah seperti sinyor drift, efek fotolistrik parasit, dan stabilitas kontak listrik yang dikapsulasi dalam cairan kimia agresif, meskipun mereka tidak dapat mencakup rentang pH yang luas [26]. Properti luminesensi nanopartikel anorganik yang dilapisi dan tidak dilapisi dapat merespons variasi pH dalam rentang yang lebih luas [27, 28], tetapi potensial listrik nanopartikel bebas tidak dapat dikontrol yang melarang analisis kuantitatif respons pH. Properti optik yang sangat baik nanowire nitrida kelompok III [29, 30] memungkinkan penggunaan respons pH dan bias terhadap intensitas PL sebagai sinyal deteksi [31]. Posisi tepi zona dalam bahan nitrida kelompok III terhadap level redoks air menarik perhatian untuk aplikasi dalam pembiacara air fotokatalitik oleh transfer muatan di antara antarmuka bahan nitrida kelompok III/elektrolit [32,33,34]. Efisiensi proses ini telah ditunjukkan ditingkatkan jika nanowire digunakan alih-alih elektroda datar [35].

Sampai sekarang sebagian besar studi PL pada nanowire GaN dilakukan di udara. Ada sedikit laporan yang membahas PL dalam larutan. Ion mungkin mengubah proses rekombinasi pembawa foto. Penggerakan optik nanowire dalam larutan terkait dengan aplikasi potensial seperti pembiacara air dan sensor ion.

Dalam karya ini, kami mempelajari respons PL dari nanowire GaN, yang memiliki permukaan GaN yang sangat sensitif [35,36,37,38], yang direndam dalam air termasuk asam, basa, dan garam tanpa perlindungan apa pun. Pengaturan, berbeda dari pengaturan tipikal untuk reaksi elektrokimia [39,40,41,42,43], lebih rumit tanpa terminal elektrokimia plating. Respons PL diukur dan dikorelasikan dengan konsentrasi ion. Status kuantum nanowire terpapar pada lingkungan eksternal dan memiliki interaksi fisik langsung. Kami menemukan bahwa PL sebagian besar naik dengan konsentrasi ion untuk nanowire, tetapi turun untuk film. Kami menunjukkan bahwa ketergantungan PL pada ion memiliki interaksi reversibel dengan berbagai jenis larutan asam dan garam. Sebelumnya, ada laporan yang menggunakan larutan sel buffer fosfat standar dengan konsentrasi fosfat 0,01 M untuk menjaganya pada konsentrasi ion tinggi konstan sehingga hanya nilai pH yang diubah dalam pengukuran dan PL nanowire hanya bergantung pada nilai pH [31]. Dalam karya kami, tidak ada larutan sel buffer latar belakang dan konsentrasi ion bervariasi. PL merespons ion bukan hanya pada nilai pH. Ternyata PL tidak hanya dikontrol oleh nilai pH tetapi juga bergantung pada konsentrasi anion asam. Mekanisme reaksi yang dilaporkan di sini berbeda dari elektrokimia yang memerlukan elektroda untuk pengukuran, dan konsentrasi ion dalam pengaturan eksperimen kami berubah dengan pH yang terutama berkontribusi pada PL. Tren dapat ditafsirkan oleh persaingan dua efek ion: transfer pembawa ke level redoks dan perubahan daerah penggelutan.

Dari sudut pandang aplikasi, respons PL yang stabil di bawah lingkungan kimia yang keras dapat digunakan untuk memantau air limbah atau tercemar dalam waktu yang lama. Sebuah potongan nanowire GaN direndam dalam air tersebut, respons PL dapat diperoleh dari penggerakan optik eksternal dan pengumpulan floresensi. Keuntungan nanowire GaN adalah ia hanya memiliki interaksi fisik tanpa interaksi kimia karena stabilitasnya yang unggul dalam kondisi ekstrem. Kertas uji konvensional atau sensor elektrokimia tidak dapat bekerja dalam kondisi tersebut dalam waktu yang lama. Selain itu, tiga terminal elektrokimia tidak diperlukan dalam pengaturan eksperimen kami untuk mempertahankan potensial elektrolit. Ini membuat pengaturan jauh lebih sederhana. Tidak ada reaksi kimia; gambar jelas proses relaksasi pembawa foto dirintis untuk bahan penting nanowire GaN dalam larutan elektrolit. Gambar ini dapat memberikan manfaat untuk pengembangan aplikasi GaN baru di masa depan seperti sensor ion atau pembiacara air.

Metode

Sintesis Nanowire dan Film GaN

Pertumbuhan nanowire GaN melalui mekanisme VSS dan film GaN diproduksi dalam sistem epitaksi uap hidrida (HVPE) [44, 45], di mana tingkat vakum berada pada 1 atmosfer. Gas prekursor adalah ammonia (NH3) dan klorida galium (GaCl) yang dibentuk dengan mengalirkan gas HCl yang dicairkan dengan nitrogen melalui galium leleh pada 850 °C. Untuk pertumbuhan nanowire, Ni dipilih sebagai katalis dan pertumbuhan berlangsung pada 880 °C dengan V/III = 20 dan gas pengantar N2 400 sccm. Nanowire GaN kemudian tumbuh ketika kedua gas prekursor, GaCl (sumber Ga) dan NH3 (sumber N), bertemu dan bereaksi di dekat sampel pada 650–950 °C. Nanowire GaN berorientasi m-axis [45]. Perhatikan bahwa katalis Ni-Ga diungkit oleh HCl dari aliran dan hasil samping reaksi selama pertumbuhan [46]. Film tebal GaN dengan orientasi c ditumbuhi pada safir dalam sistem HVPE pada suhu pertumbuhan 1050 °C. Ketebalan film GaN adalah 300 ± 10 μm.

Persiapan Sampel

Sampel GaN disimpan dalam vakum rendah (~ 10–1 Torr) setelah pertumbuhan dan dirawat dengan uap HF untuk menghilangkan oksida yang mungkin sebelum pengukuran PL.

Pengukuran PL

Pengaturan pengukuran properti PL ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1. Laser helium–kadmium (He–Ca) digunakan sebagai sumber cahaya penggerak untuk keluaran gelombang kontinyu pada panjang gelombang 325 nm. Fungsi serat optik adalah untuk mengumpulkan emisi foton PL dan menghubungkan ke iHR 550 Imaging Spectrometer yang dirancang untuk pengukuran spektral. iHR 550 adalah spektrometer gratis tiga otomatis.

Celup masuk dan keluar dalam sistem memainkan peran kunci. Khususnya, semakin lebar celup, semakin rendah resolusi spektrum PL. Namun, jika celup terlalu sempit, bising dapat secara signifikan mempengaruhi sinyal. Dalam pengukuran ini, kami menggunakan gratis 1200 grooves/mm dan celup 0,2 mm dengan tujuan mendapatkan resolusi yang luar biasa. Tabung pengali adalah detektor dengan sumber daya (950 V). Untuk memungkinkan laser fokus pada sampel, pengukuran harus menggunakan tiga cermin dikroik dan dua lensa fokus. Setelah berkonsentrasi, diameter titik sekitar 0,3 mm dan kepadatan daya mencapai 21 W/cm2 pada permukaan sampel. Foto pengaturan eksperimen ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S2.

Pengamatan Morfologi

Morfologi nanowire GaN diperiksa menggunakan mikroskopi elektron pemindai (SEM; JEOL-6700F SEM).

Hasil dan Pembahasan

Respons PL GaN terhadap Konsentrasi Ion dalam Larutan Asam dan Garam

Gambar 1a, b mengilustrasikan pengaruh nilai pH yang berkisar dari 1 hingga 7, menggunakan larutan asam dan air DI, pada nanowire GaN dan film GaN. Mereka menunjukkan bahwa intensitas PL dengan berbagai nilai pH memiliki dua tren yang menakjubkan untuk larutan asam yang berbeda. Khususnya, intensitas PL nanowire GaN dalam asam klorida (HCl) meningkat secara signifikan dengan pH bervariasi dari 7 ke 1 dan dalam asam fosfat (H3PO4) meningkat sedikit, sedangkan intensitas turun tajam ketika nanowire GaN dalam asam salpeter (HNO3) dan asam asetat (CH3COOH) dengan nilai pH menurun dari 7 ke 1 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a. Demikian pula, dalam Gambar 1b, itu menyajikan hasil intensitas PL film GaN berubah dalam larutan asam ini. Respons PL mengalami penurunan dalam CH3COOH dari netral ke pH lebih rendah dan tren menurun lemah atau stabil dalam sisa larutan asam. Perbedaan yang paling mencolok dalam perbandingan dengan efek pada nanowire GaN dan film tebal adalah bahwa intensitas PL nanowire GaN konsisten naik atau turun, sedangkan intensitas film GaN relatif stabil baik mereka turun atau variasi tetap dalam rentang. Perhatikan bahwa konsentrasi ion larutan asam berbeda sesuai dengan nilai pH. Uji sampel dalam larutan garam yang pH-nya 7 tetapi dengan konsentrasi ion berbeda dilakukan untuk memverifikasi respons terhadap ion pada pH konstan.

Untuk mengonfirmasi kecenderungan dengan konsentrasi ion, kami menyelidiki efek larutan garam dengan konsentrasi berbeda pada intensitas PL dalam hal dua jenis bahan: nanowire GaN dan film GaN seperti yang ditunjukkan oleh garis grafik dalam Gambar 1c, d. Intensitas PL nanowire GaN mengalami peningkatan stabil dalam asetat kalium (CH3COOK) dan nitrat kalium (KNO3) seiring dengan kenaikan konsentrasi garam dari 0,001 hingga 1 M. Sebaliknya, dalam klorida kalium (KCl) turun dari 0,001 hingga 0,01 M tetapi secara bertahap naik dari 0,01 hingga 1 M. Dalam fosfat tripotassium (K3PO4) ada kenaikan signifikan dari 0,001 dan 0,1 M, sementara leretan menurun dari 0,01 hingga 0,1 M. Intensitas turun ketika konsentrasi naik hingga 1 M. Mempertimbangkan Gambar 1d untuk film GaN, semua leretan menunjukkan tren menurun dalam empat jenis garam dengan kenaikan konsentrasi garam, yang berbeda dari nanowire GaN. Hasilnya konsisten dengan larutan asam di mana film GaN memiliki tren menurun pada intensitas PL, tetapi intensitas dapat naik atau turun dengan perubahan pH. Seiring meningkatnya konsentrasi ion, PL dari nanowire naik atau turun dengan leretan yang tergantung pada spesies kimia. Oleh karena itu, spesies ion dan konsentrasi memainkan peran krusial pada PL.

Tren mungkin berasal dari kombinasi dua faktor yang mempengaruhi PL. Pertama adalah pengurangan daerah penggelutan oleh ikatan ion pada permukaan. Kedua adalah transfer elektron ke level redoks ion. Untuk memahami dua tren yang tidak identik dari intensitas PL dalam larutan asam dan larutan garam yang berbeda untuk nanowire GaN dan film GaN, Gambar 2 menunjukkan secara skematis dua mekanisme di mana konsentrasi ion mengontrol intensitas PL: (A) pengurangan daerah penggelutan dan (B) transfer muatan ke level redoks [31, 47].

Dari pemodelan antarmuka semikonduktor dan larutan elektrolit [47], kami memahami bahwa ion hanya didistribusikan antara larutan dan permukaan padat, yaitu, ada lapisan bermuatan baik pada GaN dan larutan. Potensi di antarmuka kemudian disesuaikan yang menyebabkan lentur energi. Pembiacara air fotokatalitik dari serbuk GaN di bawah iradiasi cahaya berasal dari skema energi GaN di mana tepi zona konduksi GaN berada 0,5 V lebih tinggi daripada potensial redoks H+/H2 [30]. Nanowire GaN menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang lebih baik karena luas permukaan yang besar yang meningkatkan aktivitas fotokatalitik dalam wilayah pH asam [38]. Karena status permukaan di dalam sempit, elektron akan mengisi status sempit dan level Fermi ditempel di sana [34, 43, 48]. Lentur energi ditunjukkan dalam Gambar 2a. Dekat permukaan, ada daerah penggelutan. Karena medan listrik yang kuat dalam daerah penggelutan, elektron dan lubang yang dihasilkan foto akan didorong ke arah yang berlawanan dan rekombinasi dicegah. Khi ada konsentrasi ion yang tinggi dalam larutan, ion dapat melekat pada permukaan untuk menutralkan kepadatan muatan permukaan dan penggelutan diurangi. Ikat dan lepas ion ini mengubah distribusi muatan dalam sempit dalam sensor pH [49]. Setelah zona energi menjadi hampir datar, rekombinasi elektron-lubang dipulihkan dan PL ditingkatkan seperti juga ditunjukkan dalam Gambar 2a.

Karena luas permukaan nanowire yang besar, mekanisme daerah penggelutan lebih penting dalam nanowire dibandingkan film. Sebenarnya, nanowire kecil sepenuhnya penggelut [34]. Dalam mekanisme (B), ion memainkan peran yang berbeda untuk mempengaruhi PL seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Untuk nanowire GaN, level redoks H+ dan OH− berada di dalam sempit [36, 50,51,52]. Pembawa yang dihasilkan foto, oleh karena itu, dapat transfer ke level redoks alih-alih berekombinasi. Misalnya, reaksi antara proton dan pembawa foto 2H+ + 2e− → H2 dapat terjadi. Karena daerah penggelutan hanya mengambil sebagian kecil dari film di mana sebagian besar film tidak penggelut, mekanisme (A) relatif tidak penting. Oleh karena itu, mekanisme transfer muatan mendominasi untuk film. Perhatikan bahwa seiring meningkatnya konsentrasi ion, untuk mekanisme (A) PL ditingkatkan, sedangkan untuk mekanisme (B) PL berkurang. Untuk nanowire GaN, PL ditentukan oleh persaingan antara (A) dan (B). Untuk film GaN, PL ditentukan oleh (B) sebagian besar karena sebagian kecil daerah penggelutan dari luas permukaan yang terbatas. Ini menjelaskan mengapa nanowire GaN memiliki tren PL yang naik atau turun dengan meningkatnya konsentrasi ion, tetapi film GaN hanya memiliki PL yang turun atau hampir konstan.

Selain kondisi larutan, orientasi bidang dan polaritas dari dua bentuk GaN berbeda. Film GaN adalah bidang c dengan polaritas Ga, tetapi pertumbuhan nanowire adalah bidang m non-polar. Luas permukaan (dinding samping) lebih besar dalam nanowire yang menunjukkan berbagai himpunan bidang kristalografis jika asumsi penampang hampir lingkaran. Polaritas mungkin sebagian berkontribusi pada PL yang bergantung pada pH dari nanowire GaN dan film.

Efek Luas Permukaan terhadap Respons PL

Sehubungan dengan morfologi GaN, misalnya, nanowire dan film, kami juga menyelidiki PL nanowire yang lebih besar untuk perbandingan. Diameter nanowire tersebut sekitar 200 nm, sementara nanowire tipikal sekitar 60–80 nm. Gambar 3a menunjukkan bagaimana HNO3 dan HCl mempengaruhi intensitas PL nanowire GaN yang lebih besar dengan variasi pH dari 7 ke 1. Ketika direndam dalam HNO3, intensitas PL mencapai puncak pada pH = 5,27. Sebaliknya, ada lompatan yang luar biasa pada intensitas PL pada pH = 5,27 HCl dan terus meningkat ketika pH turun. Dalam Gambar 3b, kami membuat perbandingan intensitas PL dari tiga jenis sampel (nanowire, film, dan nanowire yang lebih besar) dalam larutan asam salpeter dan klorida. Distribusi intensitas PL nanowire dengan ukuran tipikal dan nanowire yang lebih besar memiliki pola menurun dengan penurunan pH dalam HNO3 tetapi naik dalam HCl. Dengan kata lain, dua ukuran nanowire melakukan serupa pada respons PL dalam larutan asam dan mengikuti mekanisme yang dibahas dalam Gambar 2. Jelas, intensitas PL film GaN dalam HCl dan HNO3 relatif stabil dan dalam HCl sekitar konstan.

Selanjutnya, intensitas PL nanowire GaN dalam asam hidrohala, misalnya, asam hidrobromida (HBr), asam klorida (HCl), dan asam hidroiodida (HI), fluktuasi bertahap dengan gerakan naik saat menurunkan nilai pH dari 7 ke 1 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4.

Interaksi Reversibel

Untuk mengevaluasi penggunaan berulang untuk aplikasi, uji diulang dengan nanowire dalam larutan dari pH netral ke pH rendah. Sampel difreshkan dengan air DI antara setiap uji seperti yang ditandai oleh pH 7 dalam Gambar 5. Intensitas PL turun ketika pH menurun, tetapi dipulihkan setelah pembersihan air DI pada sampel. Reversibilitas intensitas PL ini saat pH berubah dari nanowire GaN dalam larutan asam memungkinkan aplikasi jangka panjang dalam lingkungan kimia asam. Selain itu, puncak PL di mana nanowire direndam dalam larutan asam dan setelah pengeluaran larutan tetap pada ~ 3,4 eV (Berkas Tambahan 1: Gambar S1–S4). Ini mengonfirmasi bahwa mikrostruktur nanowire GaN tidak rusak selama perawatan larutan.

Efek pada Kualitas Kristal

Gambar 6 memberikan detail spektrum PL tentang rendaman nanowire GaN dalam empat larutan asam (Gambar 6a) dan larutan garam (Gambar 6b). Ini menggambarkan variasi intensitas PL dengan nilai pH atau konsentrasi ion, tetapi puncak utama masih pada ~ 3,4 eV. Sempit langsung yang luas 3,4 eV GaN [46, 53] dipertahankan dalam larutan asam ini yang menunjukkan bahwa ia menunjukkan interaksi fisik alih-alih reaksi kimia. Tren intensitas dengan nilai pH dibahas dalam Gambar 1. Puncak utama yang stabil pada ~ 3,4 eV (Gambar 6 dan Berkas Tambahan 1: Gambar S3–S7) menunjukkan mikrostruktur nanowire GaN dipertahankan setelah rendaman larutan asam.

Perhatikan bahwa oksida permukaan dapat berkontribusi pada luminesensi kuning (YL) yang dipancarkan dari status permukaan yang terkait dengan oksida galium [54] yang menghiasi permukaan bebas dan mungkin juga antarmuka substrat dan batas butiran internal. Dari spektrum PL kami, YL tidak signifikan yang menunjukkan bahwa oksida Ga sebagian besar dihilangkan oleh perawatan uap HF sebelum pengukuran. Selain itu, HCl dapat mengungkit lapisan oksida permukaan juga untuk menghilangkan kontribusi oksida pada PL.

Meskipun asam, kami juga menyelidiki dampak larutan basa, misalnya, larutan hidroksida amonium (NH4OH), pada nanowire GaN untuk perbandingan melalui respons PL. Puncak PL nanowire GaN yang baru ditumbuhi berada pada ~ 3,4 eV, sementara puncak bergeser ketika direndam dalam larutan NH4OH. Spektrum PL untuk pH = 11,24 (Gambar 7a) dan 14,02 (Gambar 7b) menunjukkan pergeseran merah pada puncak ke ~ 3,10 eV. Pergeseran menunjukkan degradasi mikrostruktur GaN. Reaksi tidak reversibel (Berkas Tambahan 1: Gambar S6) mungkin disebabkan oleh reaksi kimia pada struktur GaN di mana nanowire GaN rusak (Gambar 7c, d). Defek struktural dihasilkan pada permukaan nanowire GaN yang dapat mengubah kepadatan status permukaan, sehingga emisi PL. Setelah larutan tersebut dikeluarkan, puncak tetap pada 3,10 eV (Berkas Tambahan 1: Gambar S6) yang menyiratkan perubahan permanen dan uji tidak reversibel dalam larutan NH4OH. Dalam perbandingan, morfologi nanowire tetap tanpa pengikisan permukaan yang terlihat dalam larutan asam, misalnya HCl, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7e, f.

Terkadang molekul oksigen dikenal mempengaruhi PL molekul organik. PL sebagian besar berasal dari eksiton spin singlet. Eksiton singlet dapat dikurangi menjadi eksiton triplet non-emisif oleh gerakan molekul oksigen dari status spin triplet ke status terangsang singlet [55, 56]. Dalam GaN, ada sedikit perbedaan energi antara pasangan elektron-lubang singlet dan triplet. Kehadiran molekul oksigen tidak diharapkan membentuk saluran peluruhan non-radiatif dan mempengaruhi PL. Dalam semua kondisi eksperimen kami, ada tingkat oksigen yang jenuh dalam larutan. Tren variasi PL untuk berbagai konsentrasi ion oleh karena itu tidak disebabkan oleh tingkat oksigen.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan stabilitas dan respons PL dari nanowire GaN yang direndam dalam berbagai jenis larutan asam pada pH yang bervariasi yang sesuai dengan konsentrasi ion yang berbeda, dan dalam larutan garam dengan pH tetap tetapi konsentrasi berbeda. Respons PL diukur dan dikorelasikan dengan konsentrasi ion. Dalam kedua jenis larutan, respons PL dari nanowire GaN baik meningkat atau menurun. Dalam perbandingan, respons PL relatif stabil atau sedikit menurun dari film GaN. Respons PL berbeda dari nanowire dan film GaN yang berasal dari struktur zona yang berbeda. Persaingan antara perubahan lentur energi permukaan dan transfer muatan ke level redoks dalam larutan dipertimbangkan, di mana nanowire dapat sepenuhnya penggelut dari luas permukaannya yang besar, tetapi fraksi penggelutan kecil dan dapat diabaikan untuk film di mana hanya ada variasi kecil dalam intensitas PL. Ternyata PL merespons ion bukan hanya pada nilai pH seperti respons intensitas PL dalam larutan garam dan larutan HX− mengonfirmasi hasilnya. Interaksi fisik ini tidak mempengaruhi puncak PL dalam asam dan garam, sedangkan ada pergeseran merah pada PL ketika nanowire dalam larutan basa, misalnya NH4OH, karena pengikisan kimia terjadi pada nanowire. Kami menunjukkan bahwa PL memiliki interaksi reversibel dengan larutan asam dan garam tersebut. Respons PL yang stabil dan reversibel nanowire GaN dalam larutan asam tersebut memungkinkan aplikasi potensial dalam lingkungan kimia yang keras seperti itu.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel ini.

Singkatan

PL: Fotoluminesensi
HVPE: Epitaksi uap hidrida
NH3: Amonia
GaCl: Klorida galium
He–Ca: Helium–kadmium
HCl: Asam klorida
H3PO4: Asam fosfat
HNO3: Asam salpeter
CH3COOH: Asam asetat
CH3COOK: Asetat kalium
KNO3: Nitrat kalium
KCl: Klorida kalium
K3PO4: Fosfat tripotassium
HBr: Asam hidrobromida
HI: Asam hidroiodida
YL: Luminesensi kuning
NH4OH: Larutan hidroksida amonium