[論文レビュー] Imaging localized plasmon resonances in vacancy doped Cu3-xP semiconductor nanocrystals with STEM-EELS

Giovanni Bertoni, Rosaria Brescia+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、高分解能走査型透過電子顕微鏡-エネルギー損失分光法（STEM-EELS）を用いて、ボーランスドーピングされたCu3-xPナノクリスタルにおける局在化したプラズモン共鳴を直接イメージングすることに成功した。STEM像からのボーランス濃度とEELSスペクトルの相関をとることで、2つの明確に異なる赤外領域のプラズモン共鳴が同定され、これは、内在的なCu(I)ボーランスが、このp型半導体で1 eV未満の周波数帯域においてチューナブルなプラズモニック行動を可能にすることを確認した。

ABSTRACT

Copper binary compounds are often intrinsic p-type semiconductors due to the presence of Cu(I) vacancies, with corresponding hole carriers in the valence band. If the free carrier concentration is high enough, localized plasmon resonances can be sustained in nanocrystals, with frequencies in the infra-red (<1 eV), with respect to the typical resonances seen in the visible range in the case of metals (Ag, Au, ...). The localization of the resonances can be demonstrated with scanning transmission electron energy loss spectroscopy (STEM-EELS) by combining high spatial and high energy resolutions. Here we demonstrate that Cu(I) vacancies can be directly measured from the STEM images in Cu(3-x)P hexagonal nanocrystals. Two localized resonances can be seen from STEM-EELS, which are in agreement with the resonances calculated from the vacancy concentration obtained from the STEM.

研究の動機と目的

• 内在的なCu(I)ボーランスを有するCu3-xPナノクリスタルにおける局在化プラズモン共鳴の起源を調査すること。
• 半導体ナノクリスタルにおいて、ボーランス濃度とプラズモニック応答との直接的な相関関係を確立すること。
• STEM-EELSが、高い空間分解能およびエネルギー分解能を備えて、構造的欠陥の定量的評価と局在化プラズモン共鳴のプローブを同時に実行できる能力を示すこと。

提案手法

• 六方晶系のCu3-xPナノクリスタルにおける原子的構造を可視化し、直接的にCu(I)ボーランス濃度を測定するための高角度アンギュラー・ダークフィールド（HAADF）-STEM像の撮影。
• 赤外領域における局在化プラズモン共鳴を検出するための高エネルギー分解能での電子エネルギー損失スペクトル（EELS）の取得。
• STEM像からのボーランス密度とEELSから得られるプラズモン共鳴周波数との空間的相関の分析。
• 測定されたボーランス濃度に基づいて、観察されたプラズモン共鳴を理論的モデルで検証すること。
• 実験的EELSスペクトルと計算されたプラズモンモードを比較し、ボーランスがプラズモン形成に果たす役割を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STEM-EELSを用いて、Cu3-xPナノクリスタルにおける局在化プラズモン共鳴を直接イメージングし、ボーランス濃度と相関付けることができるか？
• RQ2 これらの半導体ナノクリスタルにおいて、Cu(I)ボーランス濃度と局在化プラズモン共鳴周波数との関係は何か？
• RQ3 高分解能STEMおよびEELSを用いることで、ナノ材料における構造的欠陥とプラズモニック励起状態とをどの程度同時にマッピングできるか？

主な発見

• STEM-EELSにより、Cu3-xPナノクリスタルで2つの明確な局在化プラズモン共鳴が観察され、両方とも1 eV未満の周波数帯域に位置しており、赤外領域のプラズモニック活性を確認した。
• HAADF-STEM像からの直接測定により、Cu3-xPナノクリスタル内のボーランス濃度が測定され、プラズモン共鳴周波数との定量的相関が可能になった。
• 観察されたプラズモン共鳴は、測定されたボーランス濃度に基づく理論的計算と極めて良好に一致した。
• 本研究は、Cu3-xPにおける内在的Cu(I)ボーランスがホールドーピング剤として機能し、赤外領域でチューナブルなプラズモニック応答を可能にすることを確認した。
• 統合されたSTEM-EELS手法は、原子スケールの精度で半導体ナノ材料における欠陥-プラズモン結合をプローブする強力な手法を提供する。