CdS 나노구조의 표면 관련 여기자 및 레이징

결과 및 토론

그림 1은 CdS NB 및 NW 샘플의 저온(20K) 및 실온 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 이 PL 스펙트럼은 모두 8 mW의 여기 전력에서 측정되었습니다. 명확성을 위해 그림 1a의 PL 스펙트럼 데이터는 정규화되고 수직으로 오프셋됩니다. CdS NB의 스펙트럼은 일부 엑시톤 방출 관련 구조를 나타냄을 알 수 있습니다. 2.552, 2.539 및 2.530eV에 있는 해당 피크는 자유 여기자 A(FX_A ), 중성 기증자 결합 여기자 방출(D ⁰ X) 및 중성 수용체 결합 여기자(A ⁰ X), 각각. 이러한 피크는 특성 방출 에너지에 따라 합리적으로 할당될 수 있습니다[12, 27]. 의미심장하게도, 우리는 2.510 eV에서의 방출이 표면 상태와 관련된 엑시톤 방출이라고 가정하고 그것을 SX로 표시했으며 자세한 결과는 나중에 논의될 것입니다. 알려진 바와 같이 표면 관련 엑시톤은 일종의 결합 엑시톤으로, ZnO 및 기타 나노 구조의 표면 엑시톤 연구와 같이 표면 관련 결함과 관련이 있습니다[18,19,20]. CdS의 LO(longitudinal optical) 포논의 에너지가 약 38meV임을 고려할 때, 더 낮은 에너지 측 피크(2.471eV)는 SX의 1차 LO 포논 복제에 할당될 수 있습니다. 대조적으로, CdS NWs 샘플은 2.513 eV에서 피크 위치를 갖는 비대칭 방출 피크를 보였다. 이 피크는 또한 표면 상태 관련 여기자(SX)의 재조합에 할당될 수 있습니다. 그림 1b는 CdS NB 및 NW의 실온 PL 스펙트럼을 표시합니다. CdS NB와 비교하여 SX의 피크 위치는 약간의 파란색 이동을 보여줍니다. CdS NWs 샘플의 SX 방출 강도가 CdS NBs 샘플의 SX 방출 강도보다 약 2배 높다는 점은 언급할 가치가 있습니다. CdS NWs 샘플은 CdS NBs 샘플보다 더 큰 표면 대 부피 비율을 가지므로 실온에서 두 나노 구조의 발광은 표면, 즉 표면 여기자와 관련될 수 있습니다. 추가 파일 1:그림 S1의 SEM 결과를 고려할 때 CdS NB 이미지에서 노출된 Si 기판을 찾기가 어렵다는 것을 발견했습니다. 대신 CdS NW 샘플에서 노출된 기판을 볼 수 있습니다. 이 결과는 단위 면적당 CdS NB 샘플의 적용 범위가 CdS NW 샘플의 적용 범위보다 훨씬 크다는 것을 의미합니다(추가 파일 1:그림 S1 참조). 동시에 동일한 측정 조건에서 CdS NW의 레이저 반사 강도는 CdS NB의 반사 강도의 8.2배입니다. 따라서 CdS NW 샘플은 PL 효율이 더 높아야 하며, 이는 PL 방출이 표면 여기자와 관련이 있다는 추측과 일치합니다.

CdS NB 및 NW의 PL 스펙트럼(a ) 20K 및 (b ) 실온에서

CdS NB 및 NW 샘플에서 방출의 진화를 밝히기 위해 온도 종속 PL 스펙트럼이 성능을 능가하고 분석되었습니다. 그림 2a와 같이 FX_A의 피크는 , D ⁰ X 및 A ⁰ X, 모두 온도 증가에 따라 적색 편이를 나타내는 반면 CdS NB 샘플에서는 SX 방출이 20~295K의 온도 범위에서 방출을 지배합니다. 결과는 FX_A의 방출 강도가 , D ⁰ X 및 A ⁰ X 방출은 온도가 상승하면 극적으로 떨어지고 상대 강도는 SX보다 훨씬 빠르게 감소하고 약 100K에서 사라집니다. 그림 2a의 삽입은 온도에 따른 이러한 피크 위치 진화의 플롯을 보여줍니다. PL 결과 뒤에 있는 방출 메커니즘을 이해하기 위해 다음 실험 공식을 사용하여 온도 유도 밴드갭 수축을 설명합니다[28].

아 20K ~ 295K 범위의 CdS NB의 온도 종속 PL 스펙트럼, 삽입은 FX_A의 플롯입니다. , A ⁰ X 및 SX는 온도의 함수로 피크입니다. ㄴ 20K ~ 295K 범위의 CdS NW의 온도 의존적 ​​PL 스펙트럼, 삽입은 온도에 따른 SX 피크 적색편이, SX의 실선 빨간색 곡선은 Varshni 방정식을 기반으로 한 적합 결과에 해당합니다.

여기서 E _g (0)은 0K에서의 밴드갭, α 는 엑시톤-포논 상호작용의 강도와 관련된 전자(또는 엑시톤)와 포논 사이의 결합 상수이고, Θ는 평균 포논 에너지이며, T 절대 온도를 나타냅니다. 그림 2a의 삽입된 기호는 FX_A의 실험 데이터입니다. , D ⁰ X, SX, 실선은 SX의 피팅 곡선을 나타냅니다. 이 경우 SX는 온도 상승에 따른 적색편이를 나타내며 위의 식으로 잘 적합할 수 있다. 이 결과는 SX가 밴드 갭 복사 재결합에 가깝다는 것을 나타냅니다. 피팅 매개변수 E _g SX의 (0)은 CdS NB 샘플에서 약 2.512 eV이며, 이는 FX_A의 저에너지 측에 위치합니다. 정점. SX와 FX의 에너지 차이_A 약 42 meV입니다. SX 방출은 온도가 상승할 때 점진적으로 우세하며 강한 여기자에 기인하는 SX 방출도 지원합니다.

이에 비해 CdS NW의 온도 의존적 ​​PL 스펙트럼은 그림 2b에 나와 있습니다. PL 스펙트럼은 20~295K의 온도 범위에서 하나의 방출 피크만 보여줍니다. 이 피크는 20K에서 2.513eV에 있으며 SX 방출에 할당되어야 합니다. 이 SX 피크 위치는 또한 Eq. SX 방출도 확인된 1은 니어 밴드 갭 전이와 관련이 있습니다. CdS NB 및 NW에 대한 피팅 결과의 매개변수는 표 1에 수집되어 있습니다. Eg의 차이 값 (0) CdS NB와 NW 사이는 3 meV입니다. 분명히 엑시톤-포논 커플링 상수 α 및 평균 포논 에너지 Θ CdS NW의 수는 CdS NB의 수보다 작습니다. 이 결과는 또한 약한 엑시톤-LO-포논 결합이 CdS NW 샘플에 존재하며, 이는 장거리 병진 대칭으로 인해 부분적으로 파괴되었음을 시사합니다[28].

그림 3a는 실온에서 CdS NB 샘플의 전력 종속 PL 스펙트럼을 나타냅니다. 2.44 eV에서 방출 피크는 SX의 복사 재결합이며, 2.06 eV를 중심으로 하는 방출 대역은 Cd 틈새, 댕글링 본드, 표면 결함 또는 S 공석과 같은 깊은 수준 결함에서 파생될 수 있습니다. [29,30,31] . 가진력 I의 관계 ₀ 및 통합 방출 강도 I 다음과 같이 표현될 수 있다[32]:

아 실온에서 다른 여기 전력 하에서 CdS NB의 PL 스펙트럼, 삽입은 여기 전력과 SX의 통합 강도입니다. ㄴ 실온에서 다른 여기 전력 하에서 CdS NW의 PL 스펙트럼, 삽입은 여기 전력과 SX의 통합 강도

나 ₀ 여기의 전력 밀도, η 배출 효율과 지수 α를 나타냅니다. 재조합 메커니즘을 나타냅니다. 여기 전력이 증가함에 따라 방출 피크의 강도가 계속 증가합니다. 그림 3a의 삽입은 레이저 출력 밀도의 함수로서 CdS NB에서 SX 방출의 PL 강도를 나타내고 실선은 식의 피팅 결과를 나타냅니다. 2. SX 방출의 경우 지수 α는 약 1이며, 이는 SX 방출이 실온에서 여전히 여기자 재결합임을 나타냅니다.

CdS NB 결과와 달리 DLE(심층 방출)는 CdS NW 샘플에서 더 분명합니다(그림 3b 참조). 이것은 CdS NW가 더 큰 표면 대 부피 비율로 인해 표면 결함이 더 많기 때문에 설명할 수 있습니다. 그림 3b의 삽입은 여기 전력의 함수로서 통합 PL 강도 플롯을 제공하며, 이는 Eq. 2. 피팅 매개변수 α 의 CdS NW 샘플은 1.07과 같으며 SX 방출이 여기자 특성을 갖도록 지원합니다.

그림 4는 각각 CdS NB 및 NW 샘플에서 DLE 및 SX 방출의 통합 PL 강도 비율을 표시합니다. CdS NB의 DLE는 DLE/SX가 1보다 높기 때문에 낮은 여기 조건에서 PL 스펙트럼에서 지배적인 역할을 한다는 것이 분명합니다. 그런 다음, 여기 전력이 향상됨에 따라 값이 감소하며, 이는 SX 방출이 더 높게 상승함을 의미합니다 DLE 방출보다 비율. 반면에 CdS NWs 샘플의 DLE는 최대 2.8까지 높은 비율을 보여 여기 전력이 증가함에 따라 천천히 떨어졌습니다. 이 결과는 DLE 방출이 CdS NW의 스펙트럼을 지배한다는 것을 확인했습니다. 더 큰 표면 대 부피 비율은 더 많은 SX 방출을 유도할 수 있지만 동시에 DLE도 높아졌습니다. 더 높은 에너지 상태의 더 많은 캐리어가 먼저 DLE 상태로 이완된 다음 CdS NW 샘플에서 복사 재결합(DLE 방출)을 수행할 것이 분명합니다. DLE 방출의 일반적인 부작용은 열 효과이므로 CdS NB 및 NW의 광학 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.

실온에서 CdS NB 및 NW 샘플의 DLE 방출 및 SX 방출의 통합된 PL 강도 비율

다음으로, 355nm 펄스 레이저가 여기 소스로 사용되어 CdS 나노구조에서 레이저 작용을 조사합니다. 그림 5는 실온에서 CdS NB의 전력 종속 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 레이저 임계값을 얻기 위해 통합 PL 강도는 그림 5b와 같이 평균 전력 밀도의 함수로 표시됩니다. 평균 전력 밀도가 약 608.13mW/cm ² 일 때 방출 강도의 초선형 증가 및 날카로운 특징이 발생했습니다. . 그리고 레이징 임계값의 순간 전력 강도는 3.04GW/cm ² 입니다. . 펌프 밀도가 추가로 증가함에 따라 레이저 피크의 중심은 적색 편이 경향을 가지며(그림 5a 참조), 이는 레이저 피크가 전자-정공 플라즈마(EHP) 재결합에 기인할 수 있음을 시사합니다[33, 34]. 그러나 전력 밀도가 13W/cm ² 이상으로 증가하면 이상이면 레이징 피크의 강도가 감소하는 경향이 있습니다. 출력 밀도를 더 높이면 여기 레이저 스폿에서 샘플이 손상됩니다. 이는 펌프 밀도에 따라 증가하는 열 효과에 기인할 수 있습니다.

실온에서 CdS NB의 전력 종속 레이저 스펙트럼, 삽입 a 레이저 방출 피크의 경향을 보여줍니다, 삽입 b 여기 전력의 함수로서 통합된 피크 강도이고 삽입된 c CdS NB 및 NW 플롯의 PL 강도를 시간의 함수로 나타내며, 두 샘플 모두 12.8W/cm ² 의 출력 밀도로 355nm 펄스 레이저에서 여기됩니다.

불행히도 CdS NW 샘플에서 관찰할 수 있는 레이저 작용은 없습니다. CdS NW 샘플의 손상 임계값은 약 2.65mW/cm ² 입니다. , CdS NB 샘플의 레이징 임계값보다 훨씬 낮습니다. 이 결과는 CdS NW에서 대량 DLE 방출의 부작용(열 효과)에 기인할 수 있습니다. CdS NB의 레이저 방출 안정성과 CdS NW의 SX 방출 안정성을 관찰하기 위해 그림 5c는 12.8W의 여기 전력에서 시간(0~200초)의 함수로 두 샘플의 PL 강도를 나타냅니다. /cm ² . CdS NB 샘플은 안정적인 레이저 방출을 보인 반면 CdS NW는 PL 방출을 보였고 PL 강도는 처음부터 시간이 지남에 따라 급격히 감소했습니다.

이러한 PL 결과는 SX 관련 레이저 방출이 CdS NB 샘플에서 안정적이지만 CdS NW 샘플에서 방출 성능을 제한하기 위해 더 낮은 손상 임계값을 의미합니다. 우리의 경우 SX 관련 레이저 방출은 더 큰 표면 대 부피 비율에 의해 향상될 수 있지만 표면 깊은 레벨 전환으로 인한 부작용(예:열 효과)은 레이저 적용을 방해하는 중요한 문제가 될 수 있습니다.