Fotoluminesensi yang Stabil dan Dapat Dibalik dari Kawat Nano GaN dalam Penyetelan Solusi oleh Konsentrasi Ionik
Abstrak
Kami melaporkan respons photoluminescence (PL) dari kawat nano GaN tanpa perlindungan dalam larutan. Respon yang berbeda tidak hanya terhadap pH tetapi terhadap konsentrasi ion di bawah pH yang sama. Kawat nano tampak sangat stabil di bawah larutan berair dengan konsentrasi ion tinggi dan nilai pH rendah hingga 1. Kami menunjukkan bahwa PL memiliki interaksi reversibel dengan berbagai jenis larutan asam dan garam. Keadaan kuantum kawat nano terkena lingkungan eksternal dan memiliki interaksi fisik langsung yang tergantung pada anion asam. Ketika konsentrasi ionik meningkat, intensitas PL naik atau turun tergantung pada spesies kimianya. Respons dihasilkan dari kompetisi perubahan pembengkokan pita permukaan dan transfer muatan ke tingkat redoks dalam larutan. Film GaN dilaporkan sebagai perbandingan karena efek pembengkokan pita permukaan dapat diabaikan sehingga hanya ada sedikit variasi dalam intensitas PL untuk film GaN. Selain itu, interaksi fisik tersebut tidak berdampak pada puncak PL dalam asam dan garam, sedangkan ada pergeseran merah pada PL ketika kawat nano berada dalam larutan basa, katakanlah NH4OH, karena etsa kimia terjadi pada kawat nano.
Pengantar
Crystalline GaN telah dipilih sebagai bahan semikonduktor yang menjanjikan dengan celah pita langsung yang lebar sebesar 3,39 eV. Ini memiliki banyak sifat material yang baik yang telah diterapkan pada aplikasi yang luas, seperti dioda emisi cahaya biru/ultraviolet [1, 2], optoelektronik [3, 4], perangkat suhu tinggi/daya tinggi [5, 6], dan transistor efek medan [7, 8]. Dibandingkan dengan material curah, struktur nano satu dimensi ada relaksasi kisi yang efisien secara intrinsik [9]. Dengan demikian, mereka dapat tumbuh dengan cacat kristal yang lebih sedikit [10], dan ini merupakan manfaat utama di mana emisi photoluminescence (PL) dan sifat listrik dipengaruhi oleh cacat ini. Kawat nano panjang menyediakan permukaan yang lebih besar untuk digunakan, yang bisa menjadi penggunaan yang bagus dalam aplikasi sensor dan kimia [11, 12]. Selain itu, GaN stabil dan tidak ketat terhadap vakum, yang memungkinkan aplikasi di lingkungan kimia.
Fotoluminesensi adalah salah satu sifat yang paling umum digunakan untuk mempelajari keadaan kuantum suatu material [13, 14], karena PL berasal dari peluruhan radiasi keadaan tereksitasi. Untuk bahan solid-state, interaksi PL dengan kondisi kimia sekitarnya menyediakan cara untuk menyelidiki keadaan tereksitasi. Interaksi permukaan tersebut juga dapat digunakan untuk sensor kimia dan pencitraan [15, 16]. Namun, untuk sebagian besar bahan, PL terdegradasi di bawah lingkungan reaktif karena mudah dipadamkan oleh keadaan cacat permukaan atau dengan transfer pembawa yang dihasilkan foto ke spesies ionik dalam larutan [17, 18]. Secara khusus, PL tidak stabil untuk sebagian besar semikonduktor organik dan anorganik dalam larutan berair [19,20,21]. Akibatnya, untuk titik kuantum semikonduktor anorganik fluoresen, struktur inti-kulit sering diperlukan untuk melindungi keadaan kuantum pemancar cahaya [21,22,23,24,25]. Dengan demikian, interaksi antara bahan kimia dalam larutan dan keadaan kuantum menjadi lemah karena perlindungan.
Sensor pH optik diusulkan yang mengatasi masalah seperti penyimpangan sinyal, efek arus foto parasit, dan stabilitas kontak listrik yang dienkapsulasi dalam cairan yang agresif secara kimia, meskipun mereka tidak dapat mencakup rentang pH yang luas [26]. Sifat luminesensi nanopartikel anorganik yang dilapisi dan tidak dilapisi dapat merespon variasi pH dalam rentang yang lebih luas [27, 28], tetapi potensi listrik nanopartikel bebas tidak dapat dikontrol dengan melarang analisis kuantitatif dari respons pH. Sifat optik yang sangat baik dari kawat nano nitrida kelompok III [29, 30] memungkinkan penggunaan respons pH dan bias terhadap intensitas PL sebagai sinyal deteksi [31]. Posisi tepi pita dalam bahan nitrida kelompok III sehubungan dengan tingkat redoks air menarik perhatian untuk aplikasi dalam pemisahan air fotokatalitik dengan transfer muatan melintasi antarmuka bahan nitrida/elektrolit kelompok III [32,33,34]. Efisiensi proses ini telah terbukti ditingkatkan jika kawat nano digunakan sebagai pengganti elektroda planar [35].
Sejauh ini sebagian besar studi PL pada kawat nano GaN dilakukan di udara. Ada beberapa laporan yang membahas PL dalam solusi. Ion dapat mengubah proses rekombinasi pembawa foto. Eksitasi optik kawat nano dalam larutan terkait dengan aplikasi potensial seperti pemisahan air dan sensor ion.
Dalam karya ini, kami mempelajari respons PL dari kawat nano GaN, yang mengandung permukaan GaN yang sangat sensitif [35,36,37,38], direndam dalam air termasuk asam, basa, dan garam tanpa perlindungan apa pun. Pengaturan, berbeda dari pengaturan khas untuk reaksi elektrokimia [39,40,41,42,43], tidak terlalu rumit tanpa pelapisan terminal elektrokimia. Respon PL diukur dan dikorelasikan dengan konsentrasi ion. Keadaan kuantum kawat nano terpapar ke lingkungan eksternal dan memiliki interaksi fisik langsung. Kami menemukan bahwa PL sebagian besar naik dengan konsentrasi ionik untuk kawat nano, tetapi menurun untuk film. Kami menunjukkan bahwa ketergantungan PL pada ion memiliki interaksi reversibel dengan berbagai jenis larutan asam dan garam. Sebelumnya, ada laporan yang menggunakan standar saline buffer fosfat dengan konsentrasi fosfat 0,01 M untuk menjaganya pada konsentrasi ion tinggi yang konstan sehingga hanya nilai pH yang diubah dalam pengukuran dan PL kawat nano hanya bergantung pada nilai pH [ 31]. Dalam pekerjaan kami, tidak ada larutan penyangga latar belakang dan konsentrasi ioniknya bervariasi. PL merespon terhadap ion bukan hanya terhadap nilai pH. Ternyata PL tidak hanya dikendalikan oleh nilai pH tetapi juga tergantung pada konsentrasi anion asam. Mekanisme reaksi yang dilaporkan di sini berbeda dari elektrokimia yang memerlukan elektroda untuk pengukuran, dan konsentrasi ion dalam pengaturan eksperimental kami berubah dengan pH yang terutama menyumbang PL. Tren dapat diinterpretasikan dengan kompetisi dua efek ion:transfer pembawa ke tingkat redoks dan perubahan daerah penipisan.
Dari sudut pandang aplikasi, respons PL yang stabil di bawah lingkungan kimia yang keras dapat diterapkan untuk memantau limbah atau air yang tercemar dalam waktu yang lama. Jika sepotong kawat nano GaN direndam dalam air seperti itu, respons PL-nya dapat diperoleh dari eksitasi optik eksternal dan pengumpulan fluoresensi. Keuntungan dari kawat nano GaN adalah hanya memiliki interaksi fisik tetapi tidak ada interaksi kimia karena stabilitasnya yang unggul dalam kondisi ekstrim. Kertas uji konvensional atau sensor elektrokimia tidak dapat bekerja dalam kondisi seperti itu dalam waktu lama. Selain itu, tiga terminal elektrokimia tidak diperlukan dalam pengaturan eksperimental kami untuk mempertahankan potensi elektrolit. Ini membuat pengaturan lebih sederhana. Tidak ada reaksi kimia; gambaran yang jelas tentang proses relaksasi pembawa foto dibuat untuk bahan penting kawat nano GaN dalam larutan elektrolit. Gambaran tersebut dapat bermanfaat bagi pengembangan aplikasi GaN baru di masa mendatang seperti sensor ion atau pemisahan air.
Metode
Sintesis Kawat Nano dan Film GaN
Pertumbuhan kawat nano GaN melalui mekanisme VSS dan film GaN dibuat dalam sistem epitaksi fase uap hidrida (HVPE) [44, 45], di mana tingkat vakum berada pada 1 atmosfer. Gas prekursornya adalah amonia (NH3 ) dan galium klorida (GaCl) yang dibentuk dengan mengalirkan gas HCl yang diencerkan dengan nitrogen melalui lelehan Ga pada 850 °C. Untuk pertumbuhan kawat nano, Ni dipilih sebagai katalis dan pertumbuhan terjadi pada 880 °C dengan V/III = 20 dan gas pembawa N2 dari 400 scc. Kawat nano GaN kemudian tumbuh ketika dua gas prekursor, GaCl (sebagai sumber Ga) dan NH3 (sebagai sumber N), bertemu dan bereaksi di dekat sampel pada 650–950 °C. Kawat nano GaN berorientasi pada sumbu-m [45]. Perhatikan bahwa katalis Ni-Ga tergores oleh HCl dari aliran dan produk samping reaksi selama pertumbuhan [46]. Film tebal GaN dengan orientasi c ditumbuhkan 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 diolah menggunakan uap HF untuk menghilangkan kemungkinan oksida sebelum pengukuran PL.
Pengukuran PL
Setup pengukuran properti PL ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S1. Laser helium–kadmium (He–Ca) digunakan sebagai sumber cahaya eksitasi untuk keluaran gelombang kontinu pada panjang gelombang 325 nm. Fungsi serat adalah untuk mengumpulkan emisi foton PL dan terhubung ke iHR 550 Imaging Spectrometer yang dirancang untuk pengukuran spektral. iHR 550 adalah spektrometer tiga kisi otomatis.
Celah pintu masuk dan keluar dalam sistem memainkan peran kunci. Khususnya, semakin lebar mereka, semakin rendah resolusi spektrum PL. Namun, jika celahnya terlalu sempit, noise dapat mempengaruhi sinyal secara signifikan. Dalam pengukuran ini, kami menggunakan kisi 1200 alur/mm dan celahnya 0,2 mm dengan tujuan untuk mendapatkan resolusi yang sangat baik. Tabung photomultiplier adalah detektor dengan catu daya (950 V). Agar laser dapat fokus pada sampel, pengukuran harus menggunakan tiga cermin dikroik dan dua lensa fokus. Setelah dikonsentrasikan, diameter titik sekitar 0,3 mm dan kerapatan daya mencapai 21 W/cm
2
pada permukaan sampel. Foto pengaturan eksperimental ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2.
Pengamatan Morfologi
Morfologi kawat nano GaN diperiksa menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM; JEOL-6700F SEM).
Hasil dan Diskusi
Respon PL dari GaN Terhadap Konsentrasi Ion dalam Larutan Asam dan Garam
Gambar 1a, b mengilustrasikan pengaruh nilai pH mulai dari 1 hingga 7, menggunakan larutan asam dan air DI, pada kawat nano GaN dan film GaN. Mereka menunjukkan bahwa intensitas PL dengan nilai pH yang berbeda memiliki dua tren yang luar biasa untuk larutan asam yang berbeda. Secara khusus, intensitas PL kawat nano GaN dalam asam klorida (HCl) meningkat secara signifikan dengan pH bervariasi dari 7 hingga 1 dan dalam asam fosfat (H3 PO4 ) sedikit meningkat, sedangkan intensitasnya menurun tajam ketika kawat nano GaN adalah asam nitrat (HNO3 ) dan asam asetat (CH3 COOH) dengan nilai pH menurun dari 7 menjadi 1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Demikian pula, pada Gambar 1b, menyajikan hasil intensitas PL dari perubahan film GaN dalam larutan asam ini. Respon PL mengalami penurunan CH3 COOH dari netral ke pH yang lebih rendah dan tren ke bawah atau stabil yang lembut di sisa larutan asam. Perbedaan yang paling mencolok dibandingkan dengan efek pada kawat nano GaN dan film tebal adalah bahwa intensitas PL kawat nano GaN tetap secara konsisten meningkat atau menurun, tetapi film GaN relatif stabil baik saat mereka turun atau variasi tetap dalam kisaran. Perhatikan bahwa konsentrasi ion larutan asam berbeda sesuai dengan nilai pH. Pengujian sampel dalam larutan garam dengan pH 7 tetapi dengan konsentrasi ion yang berbeda dilakukan untuk memverifikasi respons terhadap ion pada pH konstan.
Distribusi intensitas PL dalam nilai pH yang berbeda dari larutan asam dan larutan garam pada konsentrasi yang berbeda. Laser He–Ca digunakan di sini dan di bawahnya sebagai sumber cahaya eksitasi untuk keluaran gelombang kontinu pada panjang gelombang 325 nm. a Respons PL dari kawat nano GaN dengan diameter berkisar antara 60 dan 80 nm dalam larutan asam. b Respons PL dari film GaN dengan ketebalan ~ 300 μm dalam larutan asam. c Respon PL dari kawat nano GaN dalam larutan garam dengan konsentrasi yang berbeda. d Respon PL dari film GaN dalam larutan garam dengan konsentrasi berbeda
Untuk mengkonfirmasi kecenderungan dengan konsentrasi ion, kami menyelidiki efek larutan garam dengan konsentrasi yang berbeda pada intensitas PL dalam dua jenis bahan:kawat nano GaN dan film GaN seperti yang ditunjukkan oleh grafik garis pada Gambar. 1c, d. Intensitas PL kawat nano GaN menyaksikan peningkatan stabil kalium asetat (CH3 COOK) dan kalium nitrat (KNO3 ) seiring dengan kenaikan konsentrasi garam dari 0,001 menjadi 1 M. Sebaliknya, kalium klorida (KCl) turun dari 0,001 menjadi 0,01 M tetapi secara bertahap bergerak naik dari 0,01 menjadi 1 M. Itu dalam tripotassium fosfat (K 3 PO4 ) memiliki kenaikan yang signifikan dari 0,001 dan 0,1 M, sedangkan kemiringan menurun dari 0,01 menjadi 0,1 M. Intensitas turun ketika konsentrasi naik hingga 1 M. Mengingat Gambar 1d untuk film GaN, semua kemiringan menunjukkan tren menurun di empat jenis garam dengan peningkatan konsentrasi garam, yang berbeda dari kawat nano GaN. Hasilnya konsisten dengan larutan asam di mana film GaN memiliki tren penurunan pada intensitas PL, tetapi intensitasnya dapat naik atau turun dengan perubahan pH. Saat konsentrasi ionik meningkat, PL dari kawat nano naik atau turun dengan kemiringan tergantung pada spesies kimianya. Dengan demikian, spesies dan konsentrasi ionik memainkan peran penting pada PL.
Tren mungkin hasil dari kombinasi dua faktor yang mempengaruhi PL. Yang pertama adalah pengurangan daerah penipisan oleh perlekatan ion pada permukaan. Yang kedua adalah transfer elektron ke tingkat redoks ion. Untuk memahami dua tren intensitas PL yang tidak identik dalam larutan asam dan larutan garam yang berbeda untuk kawat nano GaN dan film GaN, Gambar 2 menunjukkan secara skematis dua mekanisme di mana konsentrasi ion mengontrol intensitas PL:(A) pengurangan daerah penipisan dan ( B) biaya transfer ke tingkat redoks [31, 47].
Ilustrasi skema efek konsentrasi ion pada intensitas fotoluminesensi. E adalah energi. Ec , Ev , dan εB masing-masing adalah tepi pita konduksi, tepi pita kelambu, dan tingkat Fermi. a Daerah penipisan permukaan disebabkan oleh elektron yang terperangkap dalam keadaan permukaan. b Daerah penipisan dinetralkan oleh penempelan ion positif H
+
atau K
+
. c Transfer elektron ke tingkat redoks H
+
Dari pemodelan antarmuka semikonduktor dan larutan elektrolit [47], kami memahami bahwa ion hanya didistribusikan antara larutan dan permukaan padatan, yaitu, ada lapisan bermuatan pada GaN dan larutan. Potensi pada antarmuka kemudian disesuaikan yang menyebabkan pembengkokan pita. Pemisahan air fotokatalitik dari bubuk GaN di bawah iradiasi cahaya dihasilkan dari skema energi pita GaN di mana tepi pita konduksi GaN diposisikan 0,5 V lebih tinggi dari potensial redoks H + /H2 [30]. Kawat nano GaN menunjukkan aktivitas fotokatalitik yang lebih baik karena luas permukaan yang besar yang meningkatkan aktivitas fotokatalitik di wilayah pH asam [38]. Karena keadaan permukaan pada celah pita, elektron akan mengisi keadaan celah dan tingkat Fermi disematkan di sana [34, 43, 48]. Tekuk pita ditunjukkan pada Gambar. 2a. Di dekat permukaan, ada daerah penipisan. Karena medan listrik yang kuat di daerah penipisan, elektron dan lubang yang dihasilkan foto akan didorong ke arah yang berlawanan dan rekombinasi dicegah. Ketika ada konsentrasi ion yang tinggi dalam larutan, ion tersebut dapat menempel pada permukaan untuk menetralkan kerapatan muatan permukaan dan penipisannya berkurang. Keterikatan dan pelepasan ion seperti itu mengubah distribusi muatan di celah pita di sensor pH [49]. Setelah pita energi menjadi hampir datar, rekombinasi lubang elektron dipulihkan dan PL ditingkatkan seperti juga ditunjukkan pada Gambar. 2a.
Karena luas permukaan kawat nano yang besar, mekanisme daerah penipisan lebih penting dalam kawat nano daripada di film. Faktanya, kawat nano kecil benar-benar habis [34]. Dalam mekanisme (B), ion memainkan peran yang berbeda untuk mempengaruhi PL seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Untuk kawat nano GaN, tingkat redoks H
+
dan OH
−
berada dalam celah pita [36, 50,51,52]. Pembawa yang dihasilkan foto dapat, oleh karena itu, mentransfer ke tingkat redoks alih-alih menggabungkan kembali. Misalnya, reaksi antara proton dan pembawa foto 2H
+
+ 2e
−
→ H2 mungkin terjadi. Karena daerah penipisan hanya mengambil sebagian kecil dari film di mana sebagian besar film tidak habis, mekanisme (A) relatif tidak penting. Oleh karena itu, mekanisme transfer muatan mendominasi untuk film. Perhatikan bahwa dengan meningkatnya konsentrasi ion, untuk mekanisme (A) PL ditingkatkan, sedangkan untuk mekanisme (B) PL berkurang. Untuk kawat nano GaN, PL ditentukan oleh kompetisi (A) dan (B). Untuk film GaN, PL ditentukan oleh (B) sebagian besar karena fraksi kecil daerah penipisan dari permukaannya yang terbatas. Ini menjelaskan mengapa kawat nano GaN memiliki tren PL yang meningkat atau menurun dengan meningkatnya konsentrasi ion, tetapi film GaN hanya memiliki PL yang menurun atau hampir konstan.
Selain kondisi larutan, orientasi bidang dan polaritas kedua bentuk GaN tidak sama. Film GaN adalah bidang-c dengan polaritas Ga, tetapi bagian depan kawat nano yang tumbuh adalah bidang-m non-polar. Area permukaan (dinding samping) lebih besar di kawat nano yang menunjukkan berbagai set bidang kristalografi jika mengasumsikan penampang hampir melingkar. Polaritas sebagian dapat berkontribusi pada PL yang bergantung pada pH dari kawat nano dan film GaN.
Pengaruh Luas Permukaan pada Respons PL
Mengenai morfologi GaN, misalnya, kawat nano dan film, kami juga menyelidiki PL kawat nano yang lebih besar untuk perbandingan. Diameter kawat nano tersebut adalah ~ 200 nm, sedangkan kawat nano biasa adalah ~ 60–80 nm. Gambar 3a menunjukkan bagaimana HNO3 dan HCl mempengaruhi intensitas PL dari kawat nano GaN yang lebih besar di bawah variasi pH dari 7 sampai 1. Ketika mereka direndam dalam HNO3 , Intensitas PL mencapai puncaknya pada pH = 5,27. Sebaliknya, ia memiliki lonjakan intensitas PL yang luar biasa pada pH = 5,27 HCl dan terus meningkat ketika pH turun. Pada Gambar. 3b, kami membuat perbandingan intensitas PL dari tiga jenis sampel (kawat nano, film, dan kawat nano yang lebih besar) dalam larutan asam nitrat dan asam klorida. Distribusi intensitas PL dari kawat nano dengan ukuran tipikal dan kawat nano yang lebih besar memiliki pola ke bawah dengan penurunan pH dalam HNO3 tetapi ke atas dalam HCl. Dengan kata lain, dua ukuran kawat nano bekerja sama pada respons PL dalam larutan asam dan mengikuti mekanisme yang dibahas pada Gambar 2. Tampaknya, intensitas PL film GaN di HCl dan HNO3 relatif stabil dan dalam HCl hampir konstan.
Perbandingan intensitas PL dari berbagai ukuran dan dimensi GaN. a Distribusi intensitas PL dalam berbagai nilai pH larutan asam pada kawat nano GaN yang lebih besar dengan diameter ~ 200 nm. b Perbandingan intensitas PL untuk kawat nano GaN, film GaN, dan kawat nano GaN yang lebih besar dalam HNO3 dan HCl
Selanjutnya, intensitas PL dari kawat nano GaN dalam asam hidrohalat, misalnya asam hidrobromat (HBr), asam klorida (HCl), dan asam hidriodik (HI), berfluktuasi secara bertahap dengan gerakan ke atas saat menurunkan nilai pH dari 7 ke 1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4.
Distribusi intensitas PL kawat nano GaN di bawah variasi pH dalam tiga larutan asam hidrohalat
Interaksi Reversibilitas
Untuk mengevaluasi penggunaan berulang untuk aplikasi, pengujian diulang dengan kawat nano dalam larutan dari pH netral hingga pH rendah. Sampel disegarkan dengan air DI antara setiap pengujian seperti yang dicatat oleh pH 7 pada Gambar 5. Intensitas PL turun ketika pH turun, tetapi dipulihkan setelah pembersihan air DI pada sampel. Pembalikan intensitas PL di bawah perubahan pH dari kawat nano GaN dalam larutan asam memungkinkan aplikasi jangka panjang di lingkungan kimia asam. Selain itu, puncak PL di mana kawat nano direndam dalam larutan asam dan setelah larutan dihilangkan tetap pada ~ 3.4 eV (File tambahan 1:Gbr. S1–S4). Ini menegaskan bahwa struktur mikro dari kawat nano GaN tidak rusak selama perawatan larutan.
Reversibilitas intensitas PL dari kawat nano GaN di CH3 COOH dan HNO3 dengan berbagai nilai pH
Pengaruh pada Kualitas Kristal
Gambar 6 memberikan detail spektrum PL tentang perendaman kawat nano GaN dalam empat larutan asam (Gbr. 6a) dan larutan garam (Gbr. 6b). Ini menggambarkan variasi intensitas PL dengan nilai pH atau konsentrasi ion, tetapi puncak utama masih pada ~ 3,4 eV. Celah pita langsung yang lebar sebesar 3,4 eV dari GaN [46, 53] dipertahankan dalam larutan asam yang menunjukkan bahwa ia menunjukkan interaksi fisik alih-alih reaksi kimia. Tren intensitas dengan nilai pH dibahas pada Gbr. 1. Puncak utama yang stabil pada ~ 3.4 eV (Gbr. 6 dan File tambahan 1:Gbr. S3–S7) menunjukkan struktur mikro kawat nano GaN dipertahankan setelah perendaman larutan asam.
Spektrum PL ketika kawat nano GaN direndam dalam larutan dengan pH atau konsentrasi yang berbeda. a Spektrum PL kawat nano GaN dalam larutan asam dan b Spektrum PL kawat nano GaN dalam larutan garam
Perhatikan bahwa oksida permukaan dapat berkontribusi pada pendaran kuning (YL) yang dipancarkan dari keadaan permukaan yang terkait dengan galium oksida [54] yang menghiasi permukaan bebas dan mungkin juga antarmuka substrat dan batas butir internal. Dari spektrum PL kami, YL tidak signifikan yang menunjukkan bahwa Ga oksida sebagian besar dihilangkan oleh perlakuan uap HF sebelum pengukuran. Selain itu, HCl juga dapat mengetsa lapisan oksida permukaan untuk menghilangkan kontribusi oksida pada PL.
Selain asam, kami juga menyelidiki dampak larutan basa, misalnya larutan amonium hidroksida (NH4 OH), pada kawat nano GaN untuk perbandingan melalui respons PL. Puncak PL dari kawat nano GaN yang tumbuh terletak pada ~ 3.4 eV, sedangkan puncaknya bergeser saat merendamnya dalam NH4 larutan OH. Spektrum PL untuk pH = 11,24 (Gbr. 7a) dan 14,02 (Gbr. 7b) menunjukkan pergeseran merah pada puncak ke ~ 3,10 eV. Pergeseran tersebut menunjukkan degradasi dalam struktur mikro GaN. Reaksi ireversibel (File tambahan 1:Gbr. S6) mungkin disebabkan oleh reaksi kimia pada struktur GaN di mana kawat nano GaN rusak (Gbr. 7c, d). Cacat struktural dihasilkan pada permukaan kawat nano GaN yang dapat mengubah kepadatan permukaan keadaan, sehingga emisi PL. Setelah penghapusan solusi tersebut, puncak tetap pada 3,10 eV (File tambahan 1:Gbr. S6) yang menyiratkan bahwa perubahan itu permanen dan pengujian tidak dapat diubah dalam NH4 larutan OH. Sebagai perbandingan, morfologi kawat nano tetap tanpa etsa permukaan yang terlihat dalam larutan asam, katakanlah HCl, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7e, f.
Spektrum PL dari kawat nano GaN di NH4 OH dan gambar SEM yang sesuai. a Sinyal saat kabel nano berada di NH4 OH pada pH = 11,24. b Sinyal saat kabel nano berada di NH4 OH pada pH = 14,02. c Gambar SEM dari kawat nano GaN yang tumbuh. d Kawat nano GaN setelah direndam dalam NH4 larutan OH selama 20 menit. e Gambar SEM dari kawat nano GaN yang tumbuh. f Kawat nano setelah pengujian merendamnya ke dalam larutan asam, HCl, selama 20 mnt
Molekul oksigen diketahui mempengaruhi PL molekul organik. PL sebagian besar berasal dari exciton spin singlet. Rangsangan singlet dapat direduksi menjadi rangsangan triplet non-emisi dengan eksitasi molekul oksigen dari keadaan triplet spin ke keadaan tereksitasi singlet [55, 56]. Dalam GaN, ada sedikit perbedaan energi antara pasangan lubang elektron singlet dan triplet. Kehadiran molekul oksigen diperkirakan tidak akan membentuk saluran peluruhan nonradiatif dan mempengaruhi PL. Dalam semua kondisi eksperimental kami, ada tingkat oksigen jenuh dalam larutan. Oleh karena itu, tren variasi PL untuk berbagai konsentrasi ion bukan karena tingkat oksigen.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan stabilitas dan respons terhadap PL dari kawat nano GaN yang direndam dalam berbagai jenis larutan asam pada berbagai pH yang sesuai dengan konsentrasi ion yang berbeda, dan dalam larutan garam dengan pH tetap tetapi konsentrasi yang berbeda. Respon PL diukur dan dikorelasikan dengan konsentrasi ion. Dalam kedua jenis solusi, respons PL dari kawat nano GaN meningkat atau menurun. Sebagai perbandingan, respon PL relatif stabil atau sedikit menurun dari film GaN. Respon PL berbeda dari nanowire dan film GaN yang dihasilkan dari struktur pita yang berbeda. Kompetisi perubahan pembengkokan pita permukaan dan transfer muatan ke tingkat redoks dalam larutan dipertimbangkan, di mana kawat nano dapat sepenuhnya terkuras dari area permukaannya yang besar, tetapi fraksi penipisannya kecil dan dapat diabaikan untuk film di mana hanya ada sedikit variasi dalam intensitas PL . Ternyata PL bereaksi terhadap ion bukan hanya terhadap nilai pH sebagai respons intensitas PL dalam larutan garam dan HX
−
solusi mengkonfirmasi hasil. Interaksi fisik tersebut tidak berdampak pada puncak PL dalam asam dan garam, sedangkan ada pergeseran merah pada PL ketika kawat nano berada dalam larutan basa, katakanlah NH4 OH, karena etsa kimia terjadi pada kawat nano. Kami menunjukkan bahwa PL memiliki interaksi reversibel dengan larutan asam dan garam tersebut. Respon PL yang stabil dan reversibel dari kawat nano GaN dalam larutan asam tersebut memungkinkan aplikasi potensial dalam lingkungan kimia yang keras.
Ketersediaan data dan materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.
