Photoluminescence et amplification du couplage électron-phonon dans des nanofils CdS avec concentration de dopant Sn(IV) variable

Introduction

Récemment, les nanofils unidimensionnels (1D) étaient attrayants car ils peuvent fonctionner à la fois comme des blocs de construction et des nanosystèmes intégrés [1,2,3,4]. En particulier, les semi-conducteurs monocristallins 1D à large bande interdite II-VI, tels que le CdS avec une bande interdite directe de 2,6 eV à température ambiante, ont été largement étudiés en raison de leurs excellentes propriétés photoniques, électroniques et optoélectroniques. Il existe de nombreux rapports sur les lasers à nanofil/nanoceinture CdS, les guides d'ondes optiques, les photodétecteurs, les transistors à effet de champ et les dispositifs logiques [5,6,7,8]. De nombreuses interactions intrinsèques de porteurs, telles que :le plasma électron-trou, le couplage électron-phonon, la diffusion exciton-phonon, l'interaction exciton-exciton et le polariton excitonique, prennent effet d'une nouvelle manière à l'échelle nanométrique [9,10,11,12 ,13]. La force de l'interaction associée dépendait fortement de la taille des nanostructures, influençant ainsi fortement les propriétés optiques/optoélectroniques [14]. Par exemple, l'effet de confinement quantique et le couplage électron-phonon deviendraient particulièrement importants lors de l'introduction des états localisés.

L'ingénierie de la bande interdite via l'ajustement de la taille ou de la composition est généralement adoptée pour réaliser la longueur d'onde/couleur laser et de luminescence variables. En tant que semi-conducteur polaire avec une constante de couplage électron-phonon LO de 0,65, une modification de l'énergie des excitons dans les nanostructures CdS est attendue en raison de la forte interaction de Fröhlich et du potentiel de déformation [15]. Tels que, Zou et al. [16] ont rapporté l'émission stimulée par des excitons bipolaroniques dans des nanofils de CdS uniques à température ambiante. Lieber et al. [17] ont rapporté une interaction exciton-exciton pour le laser dans des nanofils CdS jusqu'à 75 K, tandis qu'un processus exciton-phonon à une température plus élevée. De plus, les processus résonants optiques plasma électron-trou (EHP) et Fabry-Perot (F-P) pourraient également être responsables de l'émission stimulée de nanofils CdS alignés, bien que la plage de longueurs d'onde accordables soit petite et que l'EHP endommage souvent les nanofils [18]. Ces exemples ont démontré que le réglage du couplage électron-phonon de Fröhlich le long de la propagation de la lumière axiale 1D était un moyen plausible de réaliser une émission variable ou une longueur d'onde laser. Récemment, des nanofils CdS ramifiés ont été cultivés via la voie Sn nanowire-template sous recuit thermique et présentent des propriétés de guide d'ondes optiques intéressantes [19].

Ici, dans cet article, nous rapportons la synthèse de nanofils Sn-CdS en utilisant SnO₂ comme catalyseur et dopant, et leurs propriétés anormales de PL et de couplage électron-phonon. L'émission à proximité de la bande interdite et les émissions dans l'espace libre apparaissent simultanément dans le PL des nanofils tels que synthétisés. Ces derniers présentent même des modes de guide d'ondes liés à la cavité. Les raisons de ces phénomènes proviennent du dopage Sn(IV) dans les nanofils de CdS pour produire de nombreux centres de piégeage. Le couplage de l'électron avec le phonon conduit à une amélioration de l'émission anormale avec un guide d'ondes et un réglage des couleurs dans une très large plage.

Méthodes

Synthèse de nanofils CdS dopés au Sn

L'évaporation thermique a été utilisée pour synthétiser les nanofils de CdS dopés au Sn. CdS et SnO commerciaux₂ poudre avec un rapport en poids de 1:1 ont été entièrement mélangés par broyage pendant 30 min, puis utilisés comme matériau source, qui a été chargé sur une nacelle en céramique d'alumine et placé au centre du tube de quartz. Modification des rapports de poids de CdS à SnO₂ de la poudre a été utilisée pour faire croître des nanofils CdS avec différentes concentrations de dopant Sn. Des plaquettes de Si propres sans catalyseur ont été placées dans la zone en aval pour collecter le produit. Un mélange gaz vecteur Ar(95%)/H₂ (5%) a été introduit dans le tube de quartz avec un débit constant de 10 SCCM (standard centimètres cubes par minute) pour éliminer O₂ à l'intérieur avant de chauffer. H₂ pourrait produire une atmosphère réductrice et peut empêcher l'oxydation et améliorer le rendement des nanofils de CdS. Le four a été rapidement chauffé à 1000 °C en 10 min et maintenu à cette température pendant 60 min sans changer les conditions avant de se refroidir naturellement à la température ambiante. Les produits synthétisés ont été trouvés à la surface du substrat de Si et de la paroi interne du tube de quartz dans une zone à 5 cm du matériau source, où la température de croissance locale était comprise entre 400 et 450 °C.

Caractérisation de la structure et des propriétés optiques

La structure, la morphologie et la composition des produits obtenus ont été caractérisées par diffraction des rayons X sur poudre (XRD, Bruker D8 Advance), microscope électronique à balayage (SEM, JSM-6700F), spectroscope à dispersion d'énergie (EDS). Le spectre de diffusion Raman a été réalisé dans un microscope confocal (LABRAM-010) en utilisant un laser He-Ne (632,8 nm) comme source de lumière d'excitation, qui a été focalisée sur un point d'un diamètre de 3 μm sur les échantillons. Le guide d'onde optique et le PL ont été réalisés à l'aide de la microscopie optique à champ proche à balayage commerciale (SNOM, Alpha 300, WITec). SNOM a la capacité d'obtenir une image optique à haute résolution spatiale de nanostructures et de mesurer simultanément son spectre PL. Avec cet équipement, un Ar ⁺ ciblé faisceau laser (488 nm) illuminé sur le nanofil unique qui a été pré-déposé sur le substrat de quartz. Un CCD couleur chromatique à travers une lentille d'objectif a été utilisé pour collecter l'image optique. Les spectres PL d'un nanofil CdS dopé au Sn ont été directement collectés et couplés dans le spectromètre à fluorescence. Dans toutes les expériences optiques, le signal d'excitation s'illuminait perpendiculairement à la surface de l'échantillon.

Résultats et discussion

La figure 1a, b montre les images de morphologie des nanofils formés à un stade précoce et un temps de croissance de 60 min, respectivement. Les nanofils à un stade précoce contiennent généralement une grosse boule à la pointe et un long fil se connectant à la boule. Le diamètre du nanofil va de 200 nm à 2 μm et sa longueur jusqu'à des centaines de micromètres. L'analyse EDS indique que la balle est en Sn (Fig. 1c), tandis que le fil est majoritairement en CdS (Fig. 1d). Il est surprenant que le Cd:S soit toujours inférieur à 1. Le pic d'agitation au-dessus de l'élément Cd indique la distribution possible de Sn dans les fils, bien qu'il ne puisse pas être distingué directement via EDS. On sait que SnO₂ peut se décomposer en Sn ou Sn(IV) et O₂ , tandis que la poudre de CdS forme des vapeurs de Cd, S et CdS à haute température. Le Sn tel que formé après décomposition peut exister sous forme de gaz ou de petites gouttelettes de liquide (PF 232 °C, Eb 2602 °C). Ces gaz ou gouttelettes sont ensuite transportés vers une zone à basse température par un gaz porteur et se déposent sous forme d'une couche liquide, qui réagit avec la vapeur de CdS arrivée et donne une couche d'alliage liquide Sn-CdS pour la croissance de nanofils de CdS dopés à l'initiation. Par conséquent, les nanofils suivent un processus de croissance vapeur-liquide-solide (VLS) [20], où les particules ou gouttelettes de catalyseur Sn sont responsables de la croissance des nanofils CdS tant que la couche d'alliage continue de collecter la vapeur de Sn et de CdS. Les nanofils ont une morphologie de type têtard à un stade précoce et la surface est lisse. Liu et al. [21] synthétisent des nanostructures de CdS ramifiées en utilisant un si petit Sn comme catalyseur et second site de nucléation. Dans notre expérience, Sn a diffusé et dopé dans le réseau de nanofils de CdS et n'avait pas encore atteint la sursaturation pour précipiter comme deuxième site de nucléation. Ainsi, les produits tels que préparés possèdent une morphologie droite au lieu d'une jonction de branches.

un , b SEM de nanofils CdS dopés au Sn formés à un stade précoce et après 60 min de croissance. Encart de a est un grossissement amplifié d'un nanofil représentatif. c , d EDS de la boule à pointe et du nanofil dorsal, respectivement

Le diagramme de diffraction des rayons X des nanofils tels que préparés est illustré à la Fig. 2. La phase cristallographique est en bon accord avec la wurtzite hexagonale CdS (carte JCPDS :41-1049) avec des constantes de réseau de a = 4.141 Å et c = 6.720 Å. Par conséquent, les nanofils tels que préparés peuvent être désignés comme wurtzite CdS. De plus, les pics de diffraction de Sn (carte JCPDS :4-673 pour tétragonale avec des constantes de réseau de a = 5.831 Å et c = 3.182 Å) sont clairement observés, indiquant qu'une grande quantité de Sn existe sur la tête des nanofils de CdS. Ces pics de diffraction forts et nets montrent une qualité cristalline élevée des nanofils tels que préparés.

Diagrammes de diffraction des rayons X de nanofils CdS dopés au Sn

La figure 3a, b montre les spectres de diffusion micro-Raman de nanofils uniques avec différentes concentrations de dopant à température ambiante. Les deux pics forts à 296 et 592 cm ⁻¹ sont attribuées respectivement aux 1LO et 2LO de CdS [22]. La polarisation dans le Z l'axe se couple fortement avec l'électron ou l'exciton. La force du couplage électron-phonon LO dans les structures semi-conductrices 1D peut être considérablement renforcée en raison du confinement des phonons dans les directions transversales et du transport commode de l'excitation élémentaire (exciton et photon) dans la direction longitudinale. La force du couplage électron-phonon dans les semi-conducteurs peut être évaluée par le rapport d'intensité du phonon harmonique au phonon fondamental (\(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}} \)) [23]. Dans notre résultat, le grand rapport d'intensité de \(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}}\) (1,67) reflète un couplage électron-LO plus fort dans ces nanofils Sn-CdS que les nanofils CdS purs 1D avec \(I_{{{\text{2LO}}}} /I_{{{\text{1LO}}}}\) de 1,52. Quatre autres modes de phonons (208, 320, 337, 357 cm ⁻¹ ) ont été observés dans le spectre de diffusion Raman, qui ne sont pas les modes de phonons intrinsèques de CdS. Après un examen attentif, ces modes ont été désignés par \(E_{{\text{g}}}\), \(A_{{{\text{1g}}}}\), \(A_{{2{\text {u}}({\text{TO}})}}\), \(A_{{2{\text{u}}({\text{LO}})}}\) modes de vibration des impuretés du Sn dopé (IV)S₂ , respectivement [24, 25]. Très intéressant, on peut même observer les modes actifs IR (\(A_{{2{\text{u}}({\text{TO}})}}\), \(A_{{2{\text{u }}({\text{LO}})}}\)) de SnS₂ dans le spectre Raman, indiquant un assouplissement significatif de la règle de transition sous l'assistance électronique, c'est-à-dire le piégeage des porteurs. Comme les cristaux sont uniaxiaux et lorsque la direction de propagation des phonons n'est pas le long de l'axe principal du cristal, certains modes infrarouge et Raman peuvent être actifs simultanément en raison de l'interaction électron-phonon ou exciton-phonon [26]. La déformation cristalline accrue et les fluctuations structurelles environnantes dues au dopant Sn dans les nanofils CdS contribuent en partie à la faible activité des modes infrarouges [27]. \(A_{{2{\text{u}}}}\) est le mode acoustique, dont l'occurrence implique l'interaction importante de l'électron avec le phonon acoustique local et contribue en partie aux propriétés d'émission anormales dans les nanofils Sn-CdS. Les modes de vibration des impuretés observés suggèrent en outre le dopage réussi du Sn(IV) avec une quantité définie dans les nanofils, ce qui a considérablement modifié les propriétés optiques. Nous avons effectué des mesures de spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) sur ces nanofils Sn-CdS. Cependant, il ne peut pas distinguer que la teneur en Sn détectée provenait de la bille à pointe ou du nanofil du squelette en raison de la faible résolution spatiale du XPS. De plus, la teneur en Sn est trop faible pour être détectée en utilisant un spectroscope à dispersion d'énergie (EDS). Ici, nous avons déterminé qualitativement la concentration de Sn supérieure ou inférieure dans le nanofil du squelette en utilisant les spectres Raman. Comme le montrent les spectres Raman, le rapport d'intensité du mode CdS sur SnS₂ le mode diminue avec l'augmentation du rapport de SnO₂ au CdS dans la poudre source, indiquant qualitativement la concentration en Sn hautement dopé.

un , b Spectres de diffusion Micro-Raman d'un seul nanofil CdS dopé au Sn synthétisé avec un rapport élevé et faible de CdS à SnO₂ , en utilisant un laser He-Ne (632,8 nm) comme source lumineuse d'excitation

La mesure PL est très puissante pour déterminer le défaut de structure et l'impureté dans les nanostructures semi-conductrices. Pour un système de couplage électron-phonon faible de Fröhlich, le PL est modifié en introduisant un dopant, ce qui affectera le potentiel de formation et le coefficient de couplage photon-phonon. La bande d'émission peut montrer une réplique multi-phonons lorsque le dopant se localise à un niveau profond. La bande d'émission d'excitons s'effondre même en bandes larges ou satellites d'état de piège profond dans un système de couplage fort. Nous avons mesuré le guide d'onde optique et le spectre PL d'un nanofil Sn-CdS droit simple (concentration de dopant  < 0,01%) pour explorer l'effet de dopage et le couplage électron-phonon en fonction du rapport d'intensité de l'émission proche de la bande interdite à l'émission de l'état piégé. Le PL in situ d'un seul nanofil Sn-CdS était si puissant qu'il pouvait être facilement visualisé avec une caméra CCD couleur et était visible à l'œil nu (Fig. 4a). L'image optique en champ clair du nanofil Sn-CdS correspondant est illustrée dans l'encart de la figure 4a. Une partie de l'émission peut se propager le long de l'axe et émettre à l'extrémité du nanofil même sous une faible puissance d'excitation, montrant l'excellente propriété de guide d'onde optique du nanofil CdS dopé. Nous pouvons observer que la couleur d'émission in situ est jaune-vert, tandis que la couleur d'émission à la fin est rouge après un transport longue distance (Fig. 4a). Pan et al. ont rapporté les changements de couleur d'émission avec différentes distances dans des nanostructures CdS 1D densément dopées au Se et l'ont attribué au décalage de la queue de la bande dû aux changements de composition et de degré de cristallisation [28]. En fait, l'effet de l'amélioration du couplage électron-phonon ne peut être ignoré. Dans les nanofils CdS peu dopés au Sn, la raison du changement de couleur d'émission provient des excitons piégés par les impuretés et du couplage e-p amélioré pendant le transport de la lumière le long de c axe. La figure 4b est un PL dépendant de la puissance d'excitation en champ lointain. L'émission à 509 nm est attribuée à une émission proche de la bande interdite, tandis que les autres larges bandes d'émission à plus basse énergie sont attribuées à une émission d'état piégé. Les intensités de toutes les bandes d'émission augmentent rapidement avec la puissance d'excitation, tandis que l'émission à proximité de la bande interdite n'augmente que légèrement plus vite que l'émission à l'état piégé. Ce phénomène est différent de l'état de piège profond traditionnel, où l'intensité d'émission à proximité de la bande interdite augmente considérablement sous l'augmentation de la puissance d'excitation. Les plages d'énergie entre les bandes d'états piégés adjacentes sont de 229,7, 239,8, 267,3, 268,3, 277, 318,6, 312,1, 300,6 cm ⁻¹ , qui augmentent légèrement vers le nombre d'onde plus long et se rapprochent de l'énergie du phonon LO (296 cm ⁻¹ ). Ce profil multi-phonons indique un couplage e-p non linéaire d'état piégé [29]. Les excitons piégés conservent toujours leur cohérence pendant le transport de la lumière et se dispersent avec des ions étain dopés pour émettre de manière cohérente. Ainsi, la légère déviation des plages d'énergie par rapport à l'énergie des phonons LO peut être due à l'augmentation de la distance de passage de la lumière, indiquant la localisation incomplète des états piégés en profondeur. Ces excitons préfèrent s'aligner le long d'une ligne dans les nanostructures de confinement 2D et se coupler pour former une nouvelle agrégation d'excitons. Clairement, l'agrégation elle-même représente une corrélation non linéaire entre les excitons et conduit à la force de l'oscillateur géant, produisant des réponses optiques non linéaires [30, 31]. Pour les nanomatériaux imparfaits avec beaucoup d'impuretés ou de défauts, la déformation cristalline induite par les impuretés ou les défauts peut modifier remarquablement le couplage électron-phonon et induit toujours n Émission assistée par phonons LO, en plus de l'émission à bande interdite proche [32,33,34]. Ce profil d'émission multi-phonons est similaire aux processus Raman stimulés d'ordre élevé dans une fibre de silice et leur différence réside dans la contribution de l'état réel pour la bande d'émission. Il est rapporté que le nombre (n ) des processus de diffusion de phonons multiples est proportionnelle au coefficient de couplage des polarons α , c'est-à-dire que le décalage de fréquence maximal \(n\omega_{{{\text{LO}}}}\) est proportionnel à l'énergie de déformation (0,5 \(\alpha h\omega_{{{\text{LO}} }}\)) [35]. Par conséquent, les spectres PL actuels indiquent un potentiel de déformation très important et un fort couplage électron-phonon dans les nanofils Sn-CdS.

un Image d'émission en champ lointain d'un seul nanofil CdS dopé au Sn. L'encart est l'image optique en champ clair du nanofil unique correspondant. Les barres d'échelle mesurent 20 μm. b Spectres PL en champ lointain sous une puissance d'excitation croissante. L'encart est la mise à l'échelle locale des bandes d'émission d'impuretés

La concentration de Sn(IV) dopé dans les nanofils de CdS augmente avec le rapport SnO₂ au CdS dans le précurseur, produisant des spectres PL similaires avec une émission proche de la bande interdite beaucoup plus faible tandis qu'une émission d'impuretés plus forte, comme le montre la figure 5. Cela représente un couplage e-p amélioré dans ce système. Contrairement à la figure 4b, les rapports d'intensité de la bande interdite proche à l'émission à l'état piégé diminuent à 0,05-0,10 avec une puissance d'excitation variable. L'intensité d'émission de l'état piégé augmente plus rapidement que l'émission proche de la bande interdite sous une puissance d'excitation croissante, démontrant la diffusion plus forte relativement par l'impureté et le phonon. Les plages d'énergie entre les bandes d'impuretés adjacentes sont de 272,7, 325, 324, 311,9, 364,3, 372,6, 309,1, 297,1, 371,5, 375,4, 410,7, 387,1 cm ⁻¹ , qui se rapproche de l'énergie du phonon LO (296 cm ⁻¹ ). Cette déviation plus importante reflétait l'excitation pas à pas dans le guide d'ondes lumineux actif et démontrait davantage d'ions Sn se dopant dans les nanofils pour produire un couplage électron-phonon plus fort.

un Image d'émission en champ lointain d'un seul nanofil CdS lourd Sn(IV) légèrement dopé. L'encart est une image de morphologie optique. Les barres d'échelle mesurent 20 μm. b Les spectres PL en champ lointain correspondants sous une puissance d'excitation croissante

Il existe un autre spectre PL intéressant de nanofils CdS dopés au Sn (Fig. 6). Dans les nanofils avec une concentration de dopage plus élevée, l'émission à proximité de la bande interdite est très faible, tandis que l'émission à l'état piégé joue un rôle dominant. Les plages d'énergie entre les bandes d'émission d'impuretés adjacentes sont de 488, 581,9, 655,4, 683,3, 683,8 cm ⁻¹ , qui augmentent légèrement et sont proches de l'énergie des phonons 2LO (592 cm ⁻¹ ). L'intensité d'émission assistée par phonons 2LO montre une augmentation significative avec la puissance d'excitation. L'apparition de l'émission assistée par les phonons 2LO suggère le fort couplage électron-2LO phonons, bien cohérent avec le spectre de diffusion Raman qui montre un mode Raman 2LO fort (Fig. 3). Ce phénomène intéressant ne peut pas être clairement compris avec les concepts habituels. Il est rapporté que le mode optique longitudinal se couple avec l'électron en une picoseconde [23]. Si des paires Sn-Sn se forment dans une situation de dopage élevé, le couplage électron-1LO phonon peut conduire à des paires liées comme des excitons bipolaroniques à l'emplacement lié. De tels états d'excitons bipolaroniques (électron-2LO phonon) peuvent émettre de la lumière de manière cohérente, ce qui se produit souvent au centre piégé avec une longue durée de vie, tandis que la bande d'émission assistée par 1LO ne peut pas être bien résolue après une longue durée de transport et une courte relaxation. Par conséquent, l'émission assistée par 2LO peut dominer dans les nanofils à plus forte concentration de dopage. Plus de dopage a causé un phénomène encore plus anormal. Il peut initier une dislocation structurelle et la formation possible d'une phase cubique. La figure 6d montre un spectre PL similaire de nanofil dopé avec une concentration en Sn(IV) encore croissante. Les bandes d'émission à 530 nm et 541 nm peuvent être attribuées à une émission proche de la bande interdite de la wurtzite et de la phase zinc-blende CdS, respectivement [36]. La différence d'énergie \(\Delta E^{{{\text{WZ}} - {\text{ZB}}}}\) est de 0,048 eV dans le cas présent, en accord avec le fait que la différence d'énergie de bande interdite de WZ et ZB CdS est inférieur à 0,1 eV [37, 38]. La chose la plus importante est la plage d'énergie des bandes d'émission d'états piégés adjacentes qui affichent des valeurs de 1 100,2, 1 30,6, 1 218,7 cm ⁻¹ , qui sont proches de l'énergie des phonons 4LO (1184 cm ⁻¹ ). Cet effet harmonique suggère un couplage électron-phonon d'ordre supérieur dans les nanofils Sn-CdS.

un , c Émission en champ lointain et images optiques (en médaillon) de nanofils CdS avec une concentration de dopant plus élevée. Les barres d'échelle sont de 20 μm ; b , d Les spectres PL en champ lointain correspondants

Pour étudier les différents mécanismes d'émission, nous avons exécuté une mesure de décroissance PL sur l'émission à bande interdite proche et l'émission à l'état piégé sous excitation du colorant ps N₂ laser à impulsions à 400 nm (Fig. 7). L'émission à proximité de la bande interdite se situe à 520 nm, tandis que l'émission piégée en profondeur va de 550 à 750 nm et se centre à 609 nm (Fig. 7a), conformément au PL du nanofil unique étudié par SNOM. Les profils de décroissance de durée de vie de 520 nm et 609 nm, 625 nm, 640 nm sont illustrés à la Fig. 7b, c. Les temps de décroissance de 520 nm et 609 nm ont été équipés d'une fonction multi-exponentielle, montrant des constantes de temps de 0,3227 ns (22,90 %), 4,2585 ns (25,86 %), 26,4584 ns (35,31 %), 289,1292 ns (15,92 %) et 0,1309 ns (60,41 %), 0,6641 ns (8,39 %), 24,8286 ns (20,86 %), 194,1492 ns (10,35 %), respectivement. La durée de vie PL des bandes 640 nm, 625 nm et 609 nm présentait presque les mêmes profils et paramètres de durée de vie. De tels résultats sont en contraste avec les précédents rapportés [18]. Le processus de relaxation énergétique du nanofil de CdS pur sous différentes puissances d'excitation ne subit qu'une interaction électron-phonon et exciton-exciton. Pour les nanofils CdS dopés au Sn, d'autres interactions comme l'état piégé profond et l'effet de cavité devraient participer au processus de relaxation. Un diagramme schématique des processus de désintégration est donné sur la figure 7d. Les porteurs chargés dans le piège et l'exciton coexistent et se détendent jusqu'au bord de la bande de conduction à partir de la bande étendue supérieure après excitation et beaucoup d'entre eux sont piégés par des états d'impureté jusqu'à l'intérieur de la bande interdite. Les interactions entre porteurs de ces différents niveaux d'impuretés ou niveaux d'états appariés sont également impliquées dans la recombinaison de l'exciton et de l'émission au niveau de la cavité optique active, correspondant aux différentes durées de vie de désintégration observées. Il y a des porteurs partiels à disperser à partir d'un niveau piégé en profondeur et sont à nouveau piégés par le niveau de piège bas (le processus de recombinaison (1), (2), (3), (4) sur la Fig. 7d). Pour l'émission à bande interdite, la constante de temps rapide telle que 0,3227 ns doit correspondre à la recombinaison directe des porteurs, tandis que les autres constantes de temps peuvent correspondre à la recombinaison radiative des excitons liés (4,2585 ns) et des porteurs piégés peu profonds entre la bande d'énergie des impuretés et la valence bande (dizaines et centaines de ns). Pour l'émission de l'état piégé, la durée de vie beaucoup plus courte de  < 1 ns et d'autres composants reflétait les riches interactions porteuse-porteuse et porteuse-phonon, démontrant les caractéristiques typiques de l'état piégé.

un PL de nanofils Sn-CdS sous excitation d'un laser à impulsions avec une longueur d'onde de 400 nm. b , c Les profils de décroissance de durée de vie PL correspondants de 520 nm et 609, 625, 640 nm. d Le diagramme schématique du transporteur avec différents processus de décroissance de la durée de vie

Conclusions

En résumé, nous avons synthétisé les nanofils CdS dopés au Sn de haute qualité par une simple méthode d'évaporation thermique et démontré leurs propriétés optiques intéressantes. Les spectres de diffusion XRD et Raman ont confirmé que le Sn(IV) avait été dopé avec succès dans les nanofils de CdS. L'émission à proximité de la bande interdite et l'émission à l'état piégé ont été observées simultanément dans un nanofil unique dopé. Une analyse plus poussée de l'émission à l'état piégé par rapport à l'émission proche de la bande interdite indique un couplage électron-phonon non linéaire. Les nanofils CdS dopés avec une concentration variable de dopant Sn ont révélé des bandes d'émission assistées par répliques multiphonons bien séparées (1LO, 2LO, 4LO), démontrant le couplage électron-phonon amélioré et l'état piégé significatif. La décroissance de la durée de vie suggère des relaxations multi-composantes et reflète des canaux de recombinaison variables de porteurs photo-générés. Ces nanofils CdS dopés au Sn pourraient trouver une application potentielle dans les dispositifs électroluminescents et les systèmes nanophotoniques.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

PL :

Photoluminescence

1D :

Unidimensionnel

EHP :

Plasma à trous d'électrons

F-P :

Fabry–Pérot

SCCM :

Centimètres cubes standard par minute

VLS :

Vapeur-liquide-solide