Photoluminescence stable et réversible à partir de nanofils GaN dans le réglage de solution par concentration ionique

Introduction

Le GaN cristallin a été choisi comme matériau semi-conducteur prometteur avec une large bande interdite directe de 3,39 eV. Il possède de nombreuses bonnes propriétés matérielles qui ont été appliquées à de nombreuses applications, telles que les diodes d'émission de lumière bleue/ultraviolette [1, 2], l'optoélectronique [3, 4], les dispositifs haute température/haute puissance [5, 6], et transistor à effet de champ [7, 8]. Par rapport aux matériaux en vrac, il existe des nanostructures unidimensionnelles à relaxation de réseau intrinsèquement efficace [9]. Ainsi, ils peuvent être cultivés avec moins de défauts cristallins [10], ce qui constitue le principal avantage lorsque l'émission de photoluminescence (PL) et les propriétés électriques sont affectées par ces défauts. Les longs nanofils offrent de plus grandes surfaces à utiliser, ce qui pourrait être très utile dans les applications de capteurs et de chimie [11, 12]. De plus, le GaN est stable et ne résiste pas au vide, ce qui permet des applications dans des environnements chimiques.

La photoluminescence est l'une des propriétés les plus couramment utilisées pour étudier les états quantiques d'un matériau [13, 14], car la PL provient de la décroissance radiative des états excités. Pour les matériaux à l'état solide, l'interaction de PL avec les conditions chimiques environnantes fournit un moyen de sonder les états excités. Une telle interaction de surface peut également être utilisée pour les capteurs chimiques et l'imagerie [15, 16]. Cependant, pour la plupart des matériaux, le PL est dégradé dans un environnement réactif car il est facilement éteint par les états de défaut de surface ou par le transfert de porteurs photo-générés vers les espèces ioniques dans la solution [17, 18]. En particulier, PL est instable pour la plupart des semi-conducteurs organiques et inorganiques dans la solution aqueuse [19,20,21]. Par conséquent, pour les points quantiques de semi-conducteurs inorganiques fluorescents, une structure cœur-coquille est souvent requise pour protéger les états quantiques émetteurs de lumière [21,22,23,24,25]. Ainsi, l'interaction entre les produits chimiques en solution et l'état quantique devient faible en raison de la protection.

Des capteurs de pH optiques ont été proposés pour surmonter des problèmes tels que la dérive du signal, les effets de photocourant parasite et la stabilité du contact électrique encapsulé dans des liquides chimiquement agressifs, bien qu'ils ne puissent pas couvrir une large plage de pH [26]. Les propriétés de luminescence des nanoparticules inorganiques enrobées et non enrobées pourraient répondre aux variations de pH dans une plage plus large [27, 28], mais le potentiel électrique des nanoparticules libres ne peut pas être contrôlé, ce qui interdit une analyse quantitative de la réponse du pH. Les excellentes propriétés optiques des nanofils de nitrure du groupe III [29, 30] permettent d'utiliser le pH et la réponse de polarisation à l'intensité PL comme signal de détection [31]. La position des bords de bande dans les matériaux nitrure du groupe III par rapport aux niveaux redox de l'eau attire l'attention pour l'application dans la séparation photocatalytique de l'eau par transfert de charge à travers l'interface nitrure-matériau/électrolyte du groupe III [32,33,34]. L'efficacité de ce processus s'est avérée améliorée si des nanofils au lieu d'électrodes planes sont utilisés [35].

Jusqu'à présent, la majeure partie de l'étude PL sur les nanofils de GaN est réalisée dans l'air. Il existe peu de rapports discutant de PL en solution. Les ions peuvent modifier le processus de recombinaison des photoporteurs. L'excitation optique des nanofils en solution est liée à des applications potentielles telles que la séparation de l'eau et le capteur d'ions.

Dans ce travail, nous étudions la réponse de PL à partir de nanofils de GaN, qui contiennent une surface de GaN très sensible [35,36,37,38], immergé dans de l'eau comprenant des acides, des bases et des sels sans aucune protection. La configuration, distincte de la configuration typique pour la réaction électrochimique [39,40,41,42,43], est moins compliquée sans placage des bornes électrochimiques. La réponse PL est mesurée et corrélée avec la concentration en ions. Les états quantiques des nanofils sont exposés à l'environnement extérieur et ont une interaction physique directe. Nous avons constaté que la PL augmente principalement avec la concentration ionique pour les nanofils, mais diminue pour les films. Nous montrons que la dépendance de la PL vis-à-vis des ions a une interaction réversible avec divers types de solutions acides et salines. Auparavant, un rapport utilisait la solution saline tamponnée au phosphate standard avec une concentration en phosphate de 0,01 M pour la maintenir à une concentration ionique élevée constante, de sorte que seules les valeurs de pH étaient modifiées dans les mesures et que le PL des nanofils dépendait uniquement de la valeur du pH [ 31]. Dans notre travail, il n'y a pas de solution tampon de fond et la concentration ionique est variable. Le PL réagit aux ions au lieu de simplement aux valeurs de pH. Il s'avère que le PL n'est pas seulement contrôlé par la valeur du pH mais dépend également de la concentration en anions des acides. Le mécanisme de réaction rapporté ici est différent de l'électrochimie qui nécessite des électrodes pour les mesures, et la concentration en ions dans notre configuration expérimentale change avec le pH qui contribue principalement à la PL. Les tendances peuvent être interprétées par la compétition de deux effets des ions :le transfert de porteur au niveau redox et le changement de la région d'appauvrissement.

Du point de vue de l'application, une réponse PL stable dans un environnement chimique agressif peut être appliquée pour surveiller les eaux usées ou polluées sur une longue période. Si un morceau de nanofils de GaN est immergé dans une telle eau, sa réponse PL peut être obtenue à partir d'une excitation optique externe et d'une collecte de fluorescence. L'avantage des nanofils de GaN est qu'il n'a qu'une interaction physique mais pas d'interaction chimique en raison de sa stabilité supérieure dans des conditions extrêmes. Le papier test conventionnel ou le capteur électrochimique ne peut pas fonctionner dans de telles conditions sur une longue période. De plus, les trois bornes électrochimiques ne sont pas nécessaires dans notre dispositif expérimental pour maintenir le potentiel électrolytique. Cela rend la configuration beaucoup plus simple. Il n'y a pas de réaction chimique; une image claire du processus de relaxation des photo-porteurs est établie pour le matériau important des nanofils de GaN dans une solution d'électrolyte. Une telle image peut profiter au développement futur de nouvelles applications GaN comme le capteur d'ions ou la séparation de l'eau.

Méthodes

Synthèse de nanofils et de films GaN

La croissance de nanofils de GaN via un mécanisme VSS et des films de GaN ont été fabriqués dans un système d'épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE) [44, 45], où le niveau de vide est à 1 atmosphère. Les gaz précurseurs étaient l'ammoniac (NH₃ ) et du chlorure de gallium (GaCl) formé en faisant circuler du HCl gazeux dilué avec de l'azote à travers du Ga fondu à 850 °C. Pour la croissance des nanofils, Ni a été choisi comme catalyseur et la croissance a eu lieu à 880 °C avec V/III = 20 et un gaz porteur N₂ de 400 sccm. Les nanofils de GaN ont ensuite grandi lorsque les deux gaz précurseurs, GaCl (comme source de Ga) et NH₃ (comme source de N), s'est rencontré et a réagi près des échantillons à 650-950 °C. Les nanofils de GaN étaient orientés selon l'axe m [45]. Notez que les catalyseurs Ni-Ga ont été gravés par HCl du flux et du produit secondaire des réactions au cours de la croissance [46]. Le film épais de GaN avec orientation c a été cultivé sur du saphir dans le système HVPE à une température de croissance de 1050 °C. L'épaisseur des films de GaN est de 300 ± 10 μm.

Préparation de l'échantillon

Les échantillons de GaN ont été stockés sous vide poussé (~ 10–1 Torr) après la croissance et ont été traités à l'aide de vapeur HF pour éliminer l'oxyde éventuel avant les mesures PL.

Mesure PL

La configuration des mesures de la propriété PL est illustrée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. Le laser hélium-cadmium (He-Ca) est utilisé comme source de lumière d'excitation pour une sortie d'onde continue à une longueur d'onde de 325 nm. La fonction de la fibre était de collecter l'émission de photons de PL et de se connecter au spectromètre d'imagerie iHR 550 conçu pour les mesures spectrales. iHR 550 était un spectromètre automatisé à triple réseau.

Les fentes d'entrée et de sortie du système ont joué un rôle clé. En particulier, plus ils étaient larges, plus la résolution du spectre PL serait faible. Cependant, si les fentes étaient trop étroites, les bruits pourraient affecter considérablement les signaux. Dans cette mesure, nous avons utilisé un réseau de 1200 rainures/mm et la fente était de 0,2 mm dans le but d'obtenir une excellente résolution. Le tube photomultiplicateur était le détecteur avec l'alimentation (950 V). Afin de permettre au laser de se focaliser sur l'échantillon, les mesures ont dû utiliser trois miroirs dichroïques et deux lentilles de focalisation. Après concentration, le diamètre du spot était d'environ 0,3 mm et la densité de puissance atteignait 21 W/cm ² à la surface de l'échantillon. La photographie de l'installation expérimentale est montrée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2.

Observation de la morphologie

La morphologie des nanofils de GaN a été examinée à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM ; JEOL-6700F SEM).

Résultats et discussion

Réponse PL de GaN vers la concentration d'ions dans les solutions acides et salines

La figure 1a, b illustre l'influence des valeurs de pH allant de 1 à 7, en utilisant des solutions acides et de l'eau DI, sur des nanofils de GaN et des films de GaN. Ils montrent que l'intensité PL avec différentes valeurs de pH a deux tendances remarquables pour différentes solutions acides. En particulier, l'intensité PL des nanofils de GaN dans les acides chlorhydriques (HCl) augmente significativement avec un pH variant de 7 à 1 et celle dans l'acide phosphorique (H₃ Bon de commande₄ ) augmente légèrement, alors que l'intensité diminue fortement lorsque les nanofils de GaN sont de l'acide nitrique (HNO₃ ) et acide acétique (CH₃ COOH) avec des valeurs de pH diminuant de 7 à 1 comme le montre la Fig. 1a. De même, sur la figure 1b, il présente les résultats des changements d'intensité PL des films de GaN dans ces solutions acides. La réponse PL subit une diminution de CH₃ COOH d'un pH neutre à un pH inférieur et des tendances douces à la baisse ou stables dans le reste des solutions acides. La différence la plus frappante par rapport à l'effet sur les nanofils de GaN et les films épais est que l'intensité PL des nanofils de GaN continue d'augmenter ou de diminuer, mais celle des films de GaN est relativement stable à mesure qu'elles diminuent ou que la variation reste dans une plage. Notez que les concentrations d'ions des solutions acides sont différentes correspondant aux valeurs de pH. Les tests des échantillons dans des solutions salines dont le pH est de 7 mais avec des concentrations en ions différentes sont effectués pour vérifier la réponse envers les ions à pH constant.

La distribution de l'intensité PL dans différentes valeurs de pH de solutions acides et de solutions salines à différentes concentrations. Le laser He-Ca est utilisé ici et ci-dessous comme source de lumière d'excitation pour une sortie d'onde continue à une longueur d'onde de 325 nm. un La réponse PL des nanofils de GaN avec des diamètres compris entre 60 et 80 nm dans des solutions acides. b La réponse PL des films GaN avec  ~ 300 μm d'épaisseur dans des solutions acides. c La réponse PL des nanofils de GaN dans des solutions salines à différentes concentrations. d La réponse PL des films de GaN dans des solutions salines avec différentes concentrations

Pour confirmer la tendance avec la concentration d'ions, nous avons étudié les effets de solutions salines avec différentes concentrations sur l'intensité de PL en termes de deux types de matériaux :les nanofils de GaN et les films de GaN, comme le montrent les graphiques linéaires des Fig. 1c, d. L'intensité PL des nanofils de GaN témoigne d'une augmentation constante de l'acétate de potassium (CH₃ COOK) et du nitrate de potassium (KNO₃ ) ainsi que l'augmentation de la concentration en sel de 0,001 à 1 M. En revanche, celle du chlorure de potassium (KCl) descend de 0,001 à 0,01 M mais passe progressivement de 0,01 à 1 M. Celle du phosphate tripotassique (K ₃ Bon de commande₄ ) a une augmentation significative de 0,001 et 0,1 M, tandis que la pente diminue de 0,01 à 0,1 M. L'intensité diminue lorsque la concentration atteint 1 M. En considérant la figure 1d pour les films de GaN, toutes les pentes montrent des tendances à la baisse dans le quatre types de sels avec augmentation de la concentration en sel, différente de celle des nanofils de GaN. Les résultats sont cohérents avec ceux des solutions acides où les films de GaN ont des tendances à la baisse sur l'intensité PL, mais l'intensité peut augmenter ou diminuer avec le changement de pH. Au fur et à mesure que la concentration ionique augmente, le PL des nanofils monte ou descend avec des pentes selon les espèces chimiques. Ainsi, les espèces et les concentrations ioniques jouent un rôle critique sur la PL.

Les tendances résultent probablement de la combinaison de deux facteurs qui affectent le PL. Le premier est la réduction de la zone d'appauvrissement par l'attachement ionique à la surface. Le second est le transfert d'électrons aux niveaux redox des ions. Pour comprendre les deux tendances non identiques de l'intensité du PL dans différentes solutions acides et solutions salines pour les nanofils de GaN et les films de GaN, la figure 2 montre schématiquement deux mécanismes par lesquels la concentration ionique contrôle l'intensité du PL :(A) la réduction de la région d'appauvrissement et ( B) transfert de charge au niveau redox [31, 47].

Illustration schématique de l'effet de la concentration ionique sur l'intensité de la photoluminescence. E est l'énergie. E _c , E _v , et ε _F sont respectivement le bord de la bande de conduction, le bord de la bande de cantonnière et le niveau de Fermi. un Région d'appauvrissement de la surface causée par les électrons piégés dans les états de surface. b Région de déplétion neutralisée par la fixation d'ions positifs H ⁺ ou K ⁺ . c Transfert d'électrons au niveau redox de H ⁺

À partir de la modélisation de l'interface de la solution de semi-conducteur et d'électrolyte [47], nous comprenons que les ions ne sont distribués qu'entre la solution et la surface du solide, c'est-à-dire qu'il y a des couches chargées à la fois au GaN et aux solutions. Le potentiel à l'interface a ensuite été ajusté, ce qui a provoqué une flexion de la bande. La séparation photocatalytique de l'eau à partir de GaN en poudre sous irradiation lumineuse résulte du schéma d'énergie de bande de GaN où le bord de bande de conduction de GaN est positionné 0,5 V plus haut que le potentiel redox de H + /H₂ [30]. Les nanofils de GaN présentent une meilleure activité photocatalytique en raison de la grande surface qui améliore l'activité photocatalytique dans la région de pH acide [38]. En raison des états de surface au niveau de la bande interdite, les électrons rempliront l'état de la bande interdite et le niveau de Fermi y est bloqué [34, 43, 48]. La flexion de la bande est illustrée à la Fig. 2a. Près de la surface, il y a une région d'épuisement. En raison du fort champ électrique dans la région d'appauvrissement, les électrons et les trous photo-générés seront entraînés dans des directions opposées et la recombinaison est empêchée. Lorsqu'il y a une forte concentration d'ions dans la solution, les ions peuvent se fixer à la surface pour neutraliser la densité de charge de surface et l'épuisement est réduit. Une telle fixation et détachement d'ions modifie la distribution de charge dans la bande interdite dans les capteurs de pH [49]. Une fois que la bande d'énergie devient presque plate, la recombinaison électron-trou est restaurée et PL est amélioré, comme le montre également la figure 2a.

En raison de la grande surface des nanofils, le mécanisme de la région d'appauvrissement est plus important dans les nanofils que dans les films. En fait, les petits nanofils sont complètement épuisés [34]. Dans le mécanisme (B), les ions jouent un rôle différent pour affecter le PL, comme le montre la figure 2b. Pour les nanofils de GaN, les niveaux redox de H ⁺ et OH ⁻ sont dans la bande interdite [36, 50, 51, 52]. Le support photo-généré peut donc passer au niveau redox au lieu de se recombiner. Par exemple, la réaction entre les protons et les photoporteurs 2H ⁺ + 2e ⁻ → H₂ peut avoir lieu. Étant donné que la région d'épuisement ne prend qu'une petite fraction des films où la majorité du film n'est pas épuisée, le mécanisme (A) est relativement sans importance. Par conséquent, le mécanisme de transfert de charge domine pour les films. Notez que lorsque la concentration ionique augmente, pour le mécanisme (A), le PL est amélioré, tandis que pour le mécanisme (B), le PL est réduit. Pour les nanofils de GaN, le PL est déterminé par la compétition de (A) et (B). Pour les films de GaN, le PL est déterminé par (B) principalement en raison de la faible fraction de la région d'appauvrissement de sa surface limitée. Cela explique pourquoi les nanofils de GaN ont des tendances de PL croissantes ou décroissantes avec l'augmentation de la concentration en ions, alors que les films de GaN n'ont qu'un PL décroissant ou presque constant.

En plus de la condition de solution, l'orientation du plan et la polarité des deux formes de GaN sont différentes. Les films de GaN sont un plan c avec une polarité Ga, mais le front de croissance des nanofils est un plan m non polaire. La surface (la paroi latérale) est plus grande dans les nanofils qui présentent une variété d'ensembles de plans cristallographiques si l'on suppose que la section transversale est presque circulaire. La polarité peut partiellement contribuer à la PL dépendante du pH des nanofils et des films de GaN.

Effet de la surface sur la réponse PL

En ce qui concerne la morphologie du GaN, par exemple le nanofil et le film, nous avons également étudié le PL de plus gros nanofils à des fins de comparaison. Les diamètres de ces nanofils sont ~ 200 nm, tandis que les nanofils typiques sont  ~ 60-80 nm. La figure 3a montre comment HNO₃ et HCl affectent l'intensité PL des plus gros nanofils de GaN sous une variation de pH de 7 à 1. Lorsqu'ils sont immergés dans HNO₃ , l'intensité PL atteint un pic à pH = 5,27. Au contraire, il a un saut remarquable d'intensité PL à pH = 5,27 de HCl et augmente régulièrement lorsque le pH diminue. Dans la Fig. 3b, nous comparons l'intensité de PL de trois types d'échantillons (nanofils, films et nanofils plus gros) dans des solutions d'acide nitrique et chlorhydrique. La distribution d'intensité PL des nanofils avec des tailles typiques et des nanofils plus gros a des schémas descendants avec une baisse du pH dans HNO₃ mais vers le haut en HCl. En d'autres termes, les deux tailles de nanofils fonctionnent de manière similaire sur la réponse PL dans les solutions acides et cela suit les mécanismes décrits dans la Fig. 2. Apparemment, l'intensité PL des films de GaN dans HCl et HNO₃ est relativement stable et celui dans HCl est approximativement constant.

Comparaison de l'intensité PL de différentes tailles et dimensions de GaN. un La distribution de l'intensité PL dans diverses valeurs de pH de solutions acides sur des nanofils de GaN plus gros avec des diamètres de  ~ 200 nm. b Une comparaison de l'intensité PL pour les nanofils de GaN, les films de GaN et les nanofils de GaN plus gros dans HNO₃ et HCl

De plus, l'intensité PL des nanofils de GaN dans les acides halohydriques, par exemple l'acide bromhydrique (HBr), l'acide chlorhydrique (HCl) et l'acide iodhydrique (HI), fluctue progressivement avec un mouvement ascendant lorsque les valeurs de pH diminuent de 7 à 1, comme indiqué dans Figure 4.

La distribution d'intensité PL des nanofils de GaN sous des variations de pH dans trois solutions d'acide halohydrique

Interaction de réversibilité

Pour évaluer l'utilisation répétée pour les applications, les tests ont été répétés avec des nanofils dans des solutions de pH neutre à faible pH. Les échantillons ont été rafraîchis par de l'eau DI entre chaque test, comme indiqué par le pH 7 sur la figure 5. L'intensité de la PL a diminué lorsque le pH a baissé, mais elle s'est rétablie après le nettoyage à l'eau DI des échantillons. Une telle réversibilité de l'intensité PL sous un pH changeant à partir de nanofils de GaN dans des solutions acides permet des applications à long terme dans des environnements chimiques acides. En outre, les pics de PL auxquels les nanofils étaient immergés dans des solutions acides et lors du retrait des solutions restent à   ~ 3,4 eV (Fichier supplémentaire 1 :Fig. S1–S4). Il a confirmé que les microstructures des nanofils de GaN n'étaient pas endommagées pendant les traitements en solution.

Réversibilité de l'intensité PL des nanofils de GaN dans CH₃ COOH et HNO₃ avec différentes valeurs de pH

Effet sur la qualité du cristal

La figure 6 fournit les détails des spectres PL concernant l'immersion des nanofils de GaN dans les quatre solutions acides (Fig. 6a) et les solutions salines (Fig. 6b). Il décrit la variation de l'intensité PL avec les valeurs de pH ou les concentrations ioniques, mais les principaux pics sont toujours à  ~ 3,4 eV. La large bande interdite directe de 3,4 eV de GaN [46, 53] se maintient dans ces solutions acides, ce qui suggère qu'il présente une interaction physique au lieu de réactions chimiques. Les tendances de l'intensité avec les valeurs de pH sont discutées dans la Fig. 1. Le pic principal stable à  ~ 3,4 eV (Fig. 6 et Fichier supplémentaire 1 :Fig. S3–S7) indique que la microstructure des nanofils de GaN se maintient après l'immersion dans une solution acide.

Spectres PL lorsque les nanofils de GaN sont immergés dans des solutions de pH ou de concentrations différentes. un Spectres PL de nanofils de GaN dans des solutions acides et b Spectres PL de nanofils de GaN dans des solutions salines

Notez que l'oxyde de surface pourrait contribuer à la luminescence jaune (YL) qui est émise par les états de surface associés à l'oxyde de gallium [54] qui décore la surface libre et éventuellement aussi l'interface du substrat et les joints de grains internes. D'après nos spectres PL, le YL n'est pas significatif, ce qui indique que l'oxyde de Ga a été principalement éliminé par le traitement à la vapeur HF avant la mesure. De plus, HCl peut également graver la couche d'oxyde de surface pour éliminer la contribution d'oxyde au PL.

Malgré les acides, nous avons également étudié l'impact d'une solution basique, par exemple une solution d'hydroxyde d'ammonium (NH₄ OH), sur des nanofils de GaN pour comparaison via la réponse PL. Les pics PL des nanofils de GaN cultivés étaient situés à  ~ 3,4 eV, tandis que les pics se déplaçaient lors de leur immersion dans NH₄ OH solution. Les spectres PL pour pH = 11,24 (Fig. 7a) et 14,02 (Fig. 7b) ont montré des décalages vers le rouge sur les pics à  ~ 3.10 eV. Le changement a suggéré la dégradation des microstructures de GaN. La réaction irréversible (Fichier supplémentaire 1 : Fig. S6) pourrait être causée par des réactions chimiques sur les structures de GaN où les nanofils de GaN ont été endommagés (Fig. 7c, d). Des défauts structuraux ont été générés à la surface des nanofils de GaN qui pourraient altérer la densité d'états de surface, donc l'émission PL. Lors de l'élimination de telles solutions, les pics sont restés à 3.10 eV (Fichier supplémentaire 1 :Fig. S6) ce qui implique que le changement était permanent et les tests étaient irréversibles dans NH₄ OH solution. En comparaison, la morphologie des nanofils est restée sans gravure de surface visible dans des solutions acides, disons HCl, comme le montre la Fig. 7e, f.

Les spectres PL des nanofils de GaN dans NH₄ OH et les images SEM correspondantes. un Signaux lorsque les nanofils sont dans NH₄ OH à pH =11,24. b Signaux lorsque les nanofils sont dans NH₄ OH à pH = 14,02. c Image SEM des nanofils de GaN cultivés. d Les nanofils de GaN après immersion dans NH₄ OH solution pendant 20 min. e Image SEM des nanofils de GaN cultivés. f Les nanofils après les tests d'immersion dans la solution acide, HCl, pendant 20 min

Les molécules d'oxygène sont connues pour affecter le PL des molécules organiques. Le PL provient principalement de l'exciton singulet de spin. L'exciton singulet pourrait être réduit à un exciton triplet non émissif par l'excitation des molécules d'oxygène de l'état triplet de spin à l'état excité singulet [55, 56]. Dans GaN, il y a peu de différence d'énergie entre la paire électron-trou singulet et triplet. La présence de molécules d'oxygène ne devrait pas former un canal de désintégration non radiatif et affecter le PL. Dans toutes nos conditions expérimentales, il y a un niveau d'oxygène saturé dans la solution. La tendance de la variation du PL pour diverses concentrations d'ions n'est donc pas due au niveau d'oxygène.

Conclusion

Nous avons démontré la stabilité et la réponse à la PL à partir de nanofils de GaN immergés dans différents types de solutions acides à pH variable correspondant à différentes concentrations d'ions, et dans des solutions salines à pH fixe mais à concentrations différentes. La réponse PL a été mesurée et corrélée avec la concentration en ions. Dans les deux types de solutions, les réponses PL des nanofils de GaN augmentaient ou diminuaient. En comparaison, les réponses PL étaient relativement stables ou légèrement en baisse par rapport aux films GaN. Les réponses PL étaient distinctes des nanofils et des films de GaN résultant de leurs différentes structures de bandes. La compétition du changement de la courbure de la bande de surface et du transfert de charge au niveau redox en solution a été prise en compte, où le nanofil pouvait être entièrement épuisé à partir de ses grandes surfaces, mais la fraction d'épuisement était faible et négligeable pour les films où il n'y avait que de légères variations d'intensité PL . Il s'est avéré que le PL répond aux ions au lieu de simplement aux valeurs de pH en tant que réponse de l'intensité du PL dans les solutions salines et HX ⁻ les solutions ont confirmé les résultats. Une telle interaction physique n'a pas eu d'impact sur les pics de PL dans les acides et les sels, alors qu'il y avait un décalage vers le rouge sur PL lorsque les nanofils étaient en solution basique, disons NH₄ OH, en raison de la gravure chimique s'est produite sur les nanofils. Nous avons montré que le PL avait une interaction réversible avec ces solutions acides et salines. La réponse PL stable et réversible des nanofils de GaN dans ces solutions acides permet une application potentielle dans des environnements chimiques aussi difficiles.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

PL :

Photoluminescence

HVPE :

Epitaxie en phase vapeur d'hydrure

NH₃ :

Ammoniac

GaCl :

Chlorure de gallium

Il–Ca :

Hélium-cadmium

HCl :

Acides chlorhydriques

H₃ Bon de commande₄ :

Acide phosphorique

HNO₃ :

Acide nitrique

CH₃ COOH :

Acide acétique

CH₃ CUISINER :

Acétate de potassium

KNO₃ :

Nitrate de potassium

KCl :

Chlorure de potassium

K₃ Bon de commande₄ :

Phosphate tripotassique

HBr :

Acide bromhydrique

Bonjour :

Acide hydrique

YL :

Luminescence jaune

NH₄ OH :

Solution d'hydroxyde d'ammonium