[논문 리뷰] Imaging localized plasmon resonances in vacancy doped Cu3-xP semiconductor nanocrystals with STEM-EELS

Giovanni Bertoni, Rosaria Brescia외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 12.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 스캐닝 투과 전자현미경-에너지 손실 분광법(STEM-EELS)을 사용하여 불순물 치환된 Cu3-xP 나노결정에서 국소화된 플라스몬 공진을 직접 영상화한다. STEM 영상에서의 불순물 농도와 EELS 스펙트럼을 연계함으로써 두 가지의 구분되는 적외선 플라스몬 공진이 확인되었으며, 이는 내재된 Cu(I) 불순물이 이러한 p형 반도체에서 1 eV 이하 주파수에서 조절 가능한 플라스모닉 거동를 가능하게 한다는 것을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내재된 Cu(I) 불순물이 있는 Cu3-xP 나노결정에서 국소화된 플라스몬 공진의 기원을 조사하는 것.
• 반도체 나노결정에서 불순물 농도와 플라스모닉 반응 사이의 직접적인 상관관계를 수립하는 것.
• 고해상도 STEM-EELS이 높은 공간 해상도와 에너지 해상도로 동시에 구조적 결함을 정량화하고 국소화된 플라스몬 공진을 탐지할 수 있는 능력을 입증하는 것.

제안 방법

• 고각도 원환형 어두운장면(HEADF) STEM 영상 촬영을 통해 헥사고날 Cu3-xP 나노결정에서 원자 구조를 시각화하고 직접적으로 Cu(I) 불순물 농도를 측정하는 것.
• 적외선 범위의 국소화된 플라스몬 공진을 탐지하기 위해 고에너지 해상도로 전자 에너지 손실 스펙트럼(EELS)을 확보하는 것.
• STEM 영상에서 유도된 불순물 농도와 EELS로 유도된 플라스몬 공진 주파수 사이의 공간적 상관관계를 설정하는 것.
• 측정된 불순물 농도를 바탕으로 관측된 플라스몬 공진을 이론적 모델링을 통해 검증하는 것.
• 실험적 EELS 스펙트럼과 계산된 플라스몬 모드를 비교하여 불순물이 플라스몬 형성에 미치는 역할을 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STEM-EELS를 사용하여 Cu3-xP 나노결정에서 국소화된 플라스몬 공진을 직접 영상화하고 불순물 농도와 연계할 수 있는가?
• RQ2 이 반도체 나노결정에서 Cu(I) 불순물의 농도와 국소화된 플라스몬 공진 주파수 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ3 고해상도 STEM와 EELS를 얼마나 정밀하게 동시에 구조적 결함과 플라스모닉 진동을 맵핑하는 데 사용할 수 있는가?

주요 결과

• STEM-EELS를 통해 Cu3-xP 나노결정에서 두 가지의 명확한 국소화된 플라스몬 공진이 관측되었으며, 모두 1 eV 이하로 확인되어 적외선 플라스모닉 활성화를 확인한다.
• HAADF-STEM 영상에서 직접 측정된 Cu3-xP 나노결정의 불순물 농도를 통해 플라스몬 공진 주파수와의 정량적 상관관계를 확립하였다.
• 관측된 플라스몬 공진은 측정된 불순물 농도를 바탕으로 한 이론적 계산과 뛰어난 일치를 보였다.
• 이 연구는 Cu3-xP 내부의 내재된 Cu(I) 불순물이 정공 도핑제로 작용하여 적외선 범위에서 조절 가능한 플라스모닉 반응을 가능하게 한다는 것을 확인한다.
• 통합된 STEM-EELS 접근법은 원자 크기의 정밀도로 반도체 나노물질에서 결함-플라스몬 상호작용을 탐사하는 강력한 방법을 제공한다.