[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用高分辨率扫描透射电子显微镜-能量损失谱学（STEM-EELS）直接成像了空位掺杂的Cu3-xP纳米晶体中的局域等离激元共振。通过将STEM成像测得的空位浓度与EELS谱图相关联，识别出两个不同的红外等离激元共振，证实了本征Cu(I)空位在亚1 eV频率下使这些p型半导体具备可调谐等离激元行为。

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.

研究动机与目标

• 研究具有本征Cu(I)空位的Cu3-xP纳米晶体中局域等离激元共振的起源。
• 建立半导体纳米晶体中空位浓度与等离激元响应之间的直接关联。
• 展示STEM-EELS在高空间和能量分辨率下同时量化结构缺陷并探测局域等离激元共振的能力。

提出的方法

• 采用大角度环形暗场（HAADF）STEM成像，以可视化原子结构并直接测量六方Cu3-xP纳米晶体中的Cu(I)空位浓度。
• 以高能量分辨率获取电子能量损失谱（EELS），以检测红外波段的局域等离激元共振。
• 将STEM图像中测得的空位密度与EELS反演的等离激元共振频率进行空间关联。
• 利用理论建模，基于测得的空位浓度验证观测到的等离激元共振。
• 将实验EELS谱图与计算的等离激元模式进行对比，确认空位在等离激元形成中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用STEM-EELS直接成像Cu3-xP纳米晶体中的局域等离激元共振，并将其与空位浓度相关联？
• RQ2 Cu(I)空位浓度与这些半导体纳米晶体中局域等离激元共振频率之间存在何种关系？
• RQ3 高分辨率STEM和EELS在多大程度上可用于同时绘制纳米材料中的结构缺陷与等离激元激发？

主要发现

• 通过STEM-EELS在Cu3-xP纳米晶体中观察到两个不同的局域等离激元共振，均低于1 eV，证实了其红外等离激元活性。
• Cu3-xP纳米晶体中的空位浓度直接从HAADF-STEM图像中测得，从而实现了与等离激元共振频率的定量关联。
• 观测到的等离激元共振与基于测得空位浓度的理论计算结果高度一致。
• 本研究证实，Cu3-xP中的本征Cu(I)空位作为空穴掺杂剂，使红外波段的可调谐等离激元响应成为可能。
• 结合STEM-EELS的方法为以原子级精度探测半导体纳米材料中的缺陷-等离激元耦合提供了可靠途径。