加拿大滑鐵盧大學ACS Nano:通過載流子離域實現對In2O3納米晶體中激子分離的控制

【引言】

等離子半導體納米結構作為金屬納米結構的替換物，在近年內吸引了大量的研究目光。和由金和銀構成的納米結構相反，半導體和金屬氧化物納米晶體可以通過異價摻雜、化學計量的控制、光摻雜和電化學注射等方法來實現電荷載體的類型和濃度。因此，簡并摻雜的半導體和金屬氧化物納米晶體在光譜的近紅外到中紅外部分表現出了共振等離子體震蕩，并在光電器件、傳感和光譜等方面具有應用前景。除此之外，可以通過改變納米晶體組份和表面化學來實現載流子活化、俘獲和散射的性質，使局域表面等離子體共振的能量、帶寬和品質因數的精調成為可能。

半導體納米晶體除了將應用范圍從可見光區域擴展到近紅外，LSPR也為半導體納米晶體帶來了新的應用前景。如果LSPR和激子躍遷是共振的，那么等離子共振和激子的相互耦合就可以在單相納米結構中實現，而非含有金屬-半導體界面的納米復合物。等離子體激發可以導致激子吸收和發射的增強，或者通過光學斯塔克效應、雙光子吸收增強、光子上轉換等方式實現激子躍遷的移動和分離。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學利用圓偏振光在外部磁場中的激發，通過給體缺陷電子結構和納米晶體主晶格的同時控制，來實現In₂O₃納米晶體中激子分裂的控制。通過變溫-變場磁圓二色性譜圖，可以在等離子In₂O₃納米晶體中觀測到納米晶體能帶分離的影響。溫度無關的分離來源于回旋加速器磁等離子模式；溫度相關的分離與缺陷狀態的定域電子旋轉有關。兩種組份的比例可以通過氧空位的形成和異價摻雜的引入來控制。該成果以題為"Controlling the Mechanism of Excitonic Splitting in In₂O₃?Nanocrystals by Carrier Delocalization"發表在ACS Nano上。

【圖文導讀】

Figure 1.In₂O₃納米晶體的表征

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(a).在空氣中合成的In₂O₃納米晶體的TEM圖

(b).1% Sn⁴⁺摻雜的In₂O₃納米晶體的TEM圖

(c).空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體的XRD圖

(d).?空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體的拉曼圖譜

Figure 2.納米晶體性能表征

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(a).空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體的LSPR吸收譜圖

(b).圖a中納米晶體的tauc圖

圖3.納米晶體性能表征

(a).空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體，以及10% ITO納米晶體的MCD譜圖

(b).?空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體，以及10% ITO納米晶體磁場依賴的MCD強度

圖4.納米晶體性能表征

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(a).空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體，以及10% ITO納米晶體在不同溫度下的MCD圖

(b).空氣中和氬氣中合成的In₂O₃納米晶體，以及不同摻雜濃度的ITO納米晶體的MCD強度的溫度依賴

(c).圖b中的納米晶體在激子吸收范圍內的MCD譜圖

圖5.納米晶體的模擬計算

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(a,b).In₂O₃納米晶體和3.125% Sn⁴⁺摻雜的In₂O₃納米晶體的計算能帶結構圖

(c).自由電子濃度增加所導致的能帶分離示意圖

【小結】

在這個工作中，作者利用圓偏振光在外部磁場中的激發，通過給體缺陷電子結構和納米晶體主晶格的同時控制，來實現In₂O₃納米晶體中激子分裂的控制。這個工作證實了在非磁性金屬氧化物納米晶體中實現控制載流子極化的能力。

Controlling the Mechanism of Excitonic Splitting in In₂O₃?Nanocrystals by Carrier Delocalization

(ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b05782)

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

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