[论文解读] Quantitative Analysis of Semiconductor Nanocrystal Ensemble Optical Extinction

Corey M. Staller, Ankit Agrawal+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2018

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出了异质性集合德鲁德近似（HEDA）模型，用于定量分析掺杂半导体纳米晶（NC）阵列的光学消光，考虑了尺寸和载流子浓度的非均质性、表面散射以及电子耗尽效应。该模型在拟合实验消光光谱方面表现出高精度，揭示了在近红外区，20 nm、7.5 at.% Sn掺杂的In₂O₃ NC的峰值消光系数达到56.5 μm⁻¹，且载流子浓度与体积分数与消光强度呈线性关系。

ABSTRACT

The optical extinction coefficients of localized surface plasmon resonance (LSPR) in doped semiconductor nanocrystals (NCs) have intensities determined by the free charge carrier concentration and the mechanisms for damping the oscillation of those free carriers. We investigate the dependence of the extinction coefficient of tin-doped indium oxide (ITO) NCs on size and dopant concentration and find extinction coefficients as high as 56.5 um-1 in the near infrared for 7.5 atomic% Sn 20 nm diameter ITO NCs. We demonstrate a new fitting procedure for the optical extinction of an ensemble of well-dispersed NCs that accounts for NC size heterogeneity, electron concentration heterogeneity, surface scattering, and near-surface electron depletion due to surface states. The heterogeneous ensemble Drude approximation (HEDA) model utilizes the same number of variables as previous models and fits data as well or better while using inputs and fitting parameters that are described by physical phenomena. The model improves the understanding of free carrier motion in doped semiconductor NCs by more accurately extracting carrier concentration and carrier damping. The HEDA model captures individual NC optical properties and their contributions to the ensemble spectra. We find the peak extinction coefficient of an average NC varies linearly with the product of electron accessible volume fraction and electron concentration, normalized by damping.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理原理的模型，用于预测掺杂半导体纳米晶阵列的光学消光，同时考虑实际存在的非均质性。
• 提高从实验消光光谱中提取自由载流子浓度和阻尼参数的准确性。
• 量化纳米晶尺寸、掺杂浓度、表面散射以及表面态引起的电子耗尽对光学响应的影响。
• 建立一个使用具有物理解释性的参数的拟合框架，其性能与现有模型相当或更优。

提出的方法

• 提出异质性集合德鲁德近似（HEDA）模型，该模型扩展了德鲁德模型，以考虑纳米晶阵列中尺寸和载流子浓度的分布。
• 将表面散射以及由表面态引起的近表面电子耗尽作为光学响应模型中的关键物理机制。
• 采用基于分布的方法，将按尺寸和载流子浓度加权的单个纳米晶贡献整合到集体消光光谱中。
• 采用一种拟合程序，使用与先前模型相同数量的变量，但参数基于物理现象，如可及体积分数和阻尼率。
• 推导出消光系数作为电子可及体积分数、载流子浓度和阻尼的函数，从而实现定量的尺度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺杂半导体纳米晶的消光系数如何依赖于尺寸和掺杂浓度？
• RQ2 尺寸和载流子浓度的非均质性在多大程度上影响阵列的光学消光光谱？
• RQ3 表面散射和表面电子耗尽在多大程度上影响纳米晶阵列的测量光学响应？
• RQ4 能否开发一种具有物理解释性的模型，其拟合性能与现有模型相当或更优，且使用相同数量的参数？

主要发现

• HEDA模型使用具有物理意义的参数，实现了对掺杂半导体NC阵列实验消光光谱的高保真度拟合。
• 在近红外区域，20 nm直径、7.5 at.% Sn掺杂的In₂O₃纳米晶中，峰值消光系数达到56.5 μm⁻¹。
• 平均纳米晶的峰值消光系数与电子可及体积分数和电子浓度的乘积成线性关系，且该关系经阻尼归一化。
• 该模型成功捕捉了单个纳米晶对集体光谱的贡献，从而提高了载流子浓度和阻尼参数提取的准确性。
• 表面散射和由表面态引起的电子耗尽是必须包含在内的关键因素，才能解释实测的光学响应。
• 与先前模型相比，HEDA模型提供了更具物理一致性的框架，使掺杂半导体NC光学测量的可靠解释成为可能。