Stabiele, reverseerbare fotoluminescentie van GaN nanodraden in waterige oplossingen afgestemd door ionische concentratie

Samenvatting

We rapporteren de reactie van fotoluminescentie (PL) van GaN nanodraden zonder bescherming in oplossingen. De duidelijke reactie is niet alleen naar pH, maar naar ionische concentratie onder dezelfde pH. De nanodraden blijken hoogst stabiel in waterige oplossing met hoge ionische concentratie en lage pH waarde tot 1. We tonen aan dat de PL een reverseerbare interactie heeft met diverse typen zure en zoutoplossingen. De kwantumtoestanden van de nanodraden zijn blootgesteld aan de externe omgeving en hebben een directe fysieke interactie die afhangt van de anionen van de zuren. Naarmate de ionische concentratie toeneemt, gaat de PL intensiteit omhoog of omlaag afhankelijk van de chemische soort. De reactie resulteert uit een concurrentie tussen verandering in oppervlakte bandbuiging en ladingsoverdracht naar redoxniveau in oplossing. Die van GaN films wordt gerapporteerd ter vergelijking, aangezien het effect van oppervlakte bandbuiging genegeerd kan worden, zodat er slechts lichte variaties in PL intensiteit zijn voor GaN films. Bovendien beïnvloedt dergelijke fysieke interactie de PL pieken in zuren en zouten niet, terwijl er een rode verschuiving optreedt in PL wanneer de nanodraden in basische oplossing zijn, zoals NH₄OH, door chemische ets die op de nanodraden plaatsvindt.

Inleiding

Kristallijn GaN is gekozen als een veelbelovend halfgeleidermateriaal met een brede directe bandkloof van 3,39 eV. Het heeft veel goede materiaaleigenschappen die toegepast worden in uitgebreide toepassingen, zoals blauwe/ultraviolet lichtemitterende diodes [1, 2], opto-elektronica [3, 4], hoge-temperatuur/hoge-vermogen apparaten [5, 6] en veld-effect transistors [7, 8]. In vergelijking met bulk materiaal, hebben eendimensionale nanostructructuren intrinsieke efficiënte roosterontspanning [9]. Daarom kunnen ze met minder kristalfouten gekweekt worden [10], wat het hoofdfout is waar fotoluminescentie (PL) emissie en elektrische eigenschappen door beïnvloed worden. Lange nanodraden bieden grotere oppervlaktes die gebruikt kunnen worden, wat een groot gebruik kan zijn in sensor- en chemietoepassingen [11, 12]. Bovendien is GaN stabiel en niet beperkt tot vacuüm, wat toepassingen in chemische omgevingen mogelijk maakt.

Fotoluminescentie is een van de meest gebruikte eigenschappen om de kwantumtoestanden van een materiaal te bestuderen [13, 14], aangezien PL voortkomt uit de radiatieve verval van de geëxciteerde toestanden. Voor vaste-stof materialen biedt de interactie van PL met de omringende chemische omstandigheden een manier om de geëxciteerde toestanden te sondelen. Dergelijke oppervlakte-interactie kan ook gebruikt worden voor chemische sensoren en imaging [15, 16]. Echter, voor de meeste materialen wordt PL gedegradeerd onder een reactieve omgeving omdat het gemakkelijk gedempt wordt door oppervlakte defecttoestanden of door overbreng van foto-gegenereerde ladingsdragers naar de ionische soorten in de oplossing [17, 18]. In het bijzonder is PL onstabiel voor de meeste organische en anorganische halfgeleiders in waterige oplossing [19-21]. Gevolgd, voor fluorescerende anorganische halfgeleider kwantumpuntjes, is vaak een kern-schil structuur vereist om de licht-emitterende kwantumtoestanden te beschermen [21-25]. Daardoor wordt de interactie tussen de chemicaliën in oplossing en de kwantumtoestand zwakker door de bescherming.

Optische pH sensoren werden voorgesteld die problemen zoals signaaldrift, parasitaire fotostroom effecten, en de ingekapselde elektrische contactstabiliteit in chemisch agressieve vloeistoffen overwonnen, hoewel ze geen wijd pH bereik konden dekken [26]. De luminescentie-eigenschappen van gecoate en ongecoate anorganische nanopartikels konden reageren op pH variaties in een breder bereik [27, 28], maar het elektrisch potentieel van vrije nanopartikels kan niet gecontroleerd worden, wat een kwantitatieve analyse van de pH reactie verbiedt. De uitstekende optische eigenschappen van groep III nitried nanodraden [29, 30] maken het mogelijk om pH en bias reactie op de PL intensiteit als detectiesignaal te gebruiken [31]. De positie van de bandranden in groep III nitried materialen ten opzichte van de redoxniveaus van water trekt aandacht voor toepassing in fotokatalytische watersplitsing door ladingsoverdracht over de groep III nitried-materiaal/elektrolyt interface [32-34]. De efficiëntie van dit proces is aangetoond verbeterd als nanodraden in plaats van plannere elektroden worden gebruikt [35].

Tot nu toe is de meeste PL studie op GaN nanodraden gedaan in lucht. Er zijn weinig rapporten die PL in oplossing bespreken. De ionen kunnen het fotoladingsdrager recombinatieproces veranderen. Optische excitatie van nanodraden in oplossing is gerelateerd aan potentiële toepassingen zoals watersplitsing en ionsensor.

In dit werk bestuderen we de reactie van PL van GaN nanodraden, die een hoog gevoelig GaN oppervlak bevatten [35-38], ondergedompeld in water inclusief zuur, base en zouten zonder enige bescherming. De opstelling, verschillend van typische opstelling voor elektrochemische reactie [39-43], is minder ingewikkeld zonder het platen van elektrochemische terminalen. De PL reactie wordt gemeten en gecorreleerd met ionconcentratie. De kwantumtoestanden van de nanodraden zijn blootgesteld aan de externe omgeving en hebben een directe fysieke interactie. We vonden dat PL meestal stijgt met ionconcentratie voor nanodraden, maar daalt voor films. We tonen aan dat de PL afhankelijkheid van ionen een reverseerbare interactie heeft met diverse typen zuur- en zoutoplossingen. Eerder was er een rapport dat standaard gefosfaatgebufferde zoutoplossing met een fosfaatconcentratie van 0,01 M gebruikte om het bij constante hoge ionconcentratie te houden, zodat alleen de pH waarden veranderden in de metingen en de PL van nanodraden alleen afhing van de pH waarde [31]. In ons werk is er geen achtergrondbufferoplossing en is de ionconcentratie variabel. De PL reageert op ionen in plaats van slechts op pH waarden. Het blijkt dat de PL niet alleen gecontroleerd wordt door de pH waarde, maar ook afhangt van de concentratie van anionen van de zuren. Het reactiemechanisme dat hier gerapporteerd wordt, verschilt van electrochemie die elektroden vereist voor metingen, en de ionconcentratie in onze experimentele opstelling verandert met pH wat hoofdzakelijk bijdraagt aan PL. De trends kunnen geïnterpreteerd worden door de concurrentie van twee effecten van de ionen: de ladingsoverdracht naar redoxniveau en de verandering van de depletielaag.

Vanuit een toepassingspunt, kan een stabiele PL reactie onder harde chemische omgeving toegepast worden om afval- of vervuild water over een lange tijd te monitoren. Als een stuk GaN nanodraden in zo'n water gedompeld wordt, kan de PL reactie verkregen worden van externe optische excitatie en fluoresentieverzameling. Het voordeel van GaN nanodraden is dat het alleen fysieke interactie heeft maar geen chemische interactie door zijn superieure stabiliteit in extreme omstandigheden. Conventioneel testpapier of electrochemische sensor kan niet in dergelijke omstandigheden over een lange periode werken. Bovendien zijn de drie elektrochemische terminalen niet nodig in onze experimentele opstelling om het elektrolytpotentieel te handhaven. Dit maakt de opstelling veel eenvoudiger. Er is geen chemische reactie; een duidelijk beeld van het fotoladingsdrager relaxatieproces is vastgesteld voor het belangrijke materiaal GaN nanodraden in elektrolytoplossing. Zo'n beeld kan het toekomstige ontwikkeling van nieuwe GaN toepassingen zoals ionsensor of watersplitsing ten goede komen.

Methoden

Synthese van GaN nanodraden en films

De groei van GaN nanodraden via VSS mechanisme en GaN films werden gefabriceerd in een hydride dampfase epitaxie (HVPE) systeem [44, 45], waar het vacuümniveau op 1 atmosfeer is. De precursor gassen waren ammoniak (NH₃) en galliumchloride (GaCl) gevormd door HCl gas gedilueerd met stikstof door gesmolten Ga te laten stromen bij 850 °C. Voor nanodraadtgroei werd Ni geselecteerd als katalysator en de groei vond plaats bij 880 °C met V/III = 20 en draggas N₂ van 400 sccm. GaN nanodraden groeiden toen de twee precursor gassen, GaCl (als bron van Ga) en NH₃ (als bron van N), ontmoetten en reageerden bij de monsters bij 650-950 °C. De GaN nanodraden waren m-as georiënteerd [45]. Let op dat de Ni-Ga katalysatoren geëtst werden door HCl uit de stroom en het bijproduct van reacties tijdens groei [46]. De GaN dikke film met c-oriëntatie werd op safier gekweekt in het HVPE systeem bij een groeitemperatuur van 1050 °C. De dikte van GaN films is 300 ± 10 µm.

Monster voorbereiding

De GaN monsters werden opgeslagen in laag vacuüm (~ 10⁻¹ Torr) na groei en behandeld met HF damp om mogelijke oxide te verwijderen voor PL metingen.

PL meting

De opstelling van de PL eigenschapsmetingen is getoond in Bijlage 1: Figuur S1. Helium-cadmium (He-Cd) laser wordt gebruikt als excitatiebron voor continue-golf output bij een golflengte van 325 nm. De functie van de vezel was om fotonemissie van PL te verzamelen en te verbinden met iHR 550 Imaging Spectrometer ontworpen voor spectrale metingen. iHR 550 was een geautomatiseerde, driemaal grating spectrometer.

De ingangs- en uitgangsspleten in het systeem speelden een sleutelrol. Met name, hoe breder ze waren, hoe lager de resolutie van het PL spectrum zou zijn. Echter, als de spleten te smal waren, kon ruis de signalen significant beïnvloeden. In deze meting gebruikten we een 1200 grooves/mm grating en de spleet was 0,2 mm met als doel uitstekende resolutie te verkrijgen. Fotovervielaarbuis was de detector met de voeding (950 V). Om de laser op het monster te focussen, moesten de metingen drie dichroitische spiegels en twee focuslensen gebruiken. Na concentreren was de spotdiameter ongeveer 0,3 mm en de vermogensdensiteit bereikte 21 W/cm² op het oppervlak van het monster. De foto van de experimentele opstelling is getoond in Bijlage 1: Figuur S2.

Morfologie observatie

De morfologie van de GaN nanodraden werd onderzocht met een scanning elektronenmicroscoop (SEM; JEOL-6700F SEM).

Resultaten en discussie

PL reactie van GaN naar ionconcentratie in zure en zoutoplossingen

Figuur 1a, b illustreert de invloed van de pH waarden variërend van 1 tot 7, met behulp van zure oplossingen en DI water, op GaN nanodraden en GaN films. Ze tonen aan dat de PL intensiteit met verschillende pH waarden twee opmerkelijke trends heeft voor verschillende zure oplossingen. In het bijzonder neemt de PL intensiteit van GaN nanodraden in zoutzuur (HCl) significant toe met pH variërend van 7 tot 1 en die in fosforzuur (H₃PO₄) neemt iets toe, terwijl de intensiteit scherp daalt wanneer de GaN nanodraden in salpeterzuur (HNO₃) en azijnzuur (CH₃COOH) zijn met pH waarden dalend van 7 tot 1 zoals getoond in Fig. 1a. Op dezelfde manier presenteert Fig. 1b de resultaten van de PL intensiteit van GaN films verandert in deze zure oplossingen. De PL reactie ervaart een daling in CH₃COOH van neutraal naar lagere pH en zachte dalende of stabiele trends in de overige zure oplossingen. Het meest opvallende verschil in vergelijking met het effect op GaN nanodraden en dikke films is dat de PL intensiteit van GaN nanodraden consistent toeneemt of afneemt, maar die van GaN films relatief stabiel is aangezien ze ofwel omlaag gaan of de variatie binnen een bereik blijft. Let op dat de ionconcentraties van zure oplossingen verschillend zijn overeenkomstig pH waarden. De tests van de monsters in zoutoplossingen waarvoor de pH 7 is maar met verschillende ionconcentraties worden uitgevoerd om de reactie naar ionen bij constante pH te verifiëren.

Om de tendens met ionconcentratie te bevestigen, onderzochten we de effecten van zoutoplossingen met verschillende concentraties op PL intensiteit in termen van twee soorten materialen: GaN nanodraden en GaN films zoals getoond door de lijngrafieken in Fig. 1c, d. De PL intensiteit van GaN nanodraden getuigt van een stijgende toename in potassiumacetaat (CH₃COOK) en potassiumnitraat (KNO₃) samen met de stijging in zoutconcentratie van 0,001 tot 1 M. Integendeel, die in potassiumchloride (KCl) daalt van 0,001 tot 0,01 M maar stijgt geleidelijk van 0,01 tot 1 M. Die in tripotassiumfosfaat (K₃PO₄) heeft een significante stijging van 0,001 en 0,1 M, terwijl de helling daalt van 0,01 tot 0,1 M. De intensiteit daalt wanneer de concentratie stijgt tot 1 M. Overwegend Fig. 1d voor GaN films, tonen alle hellingen dalende trends in de vier typen zouten met toename in zoutconcentratie, wat verschillend is van die van GaN nanodraden. De resultaten zijn consistent met die in zure oplossingen waar GaN films dalende trends op PL intensiteit hebben, maar de intensiteit kan ofwel omhoog of omlaag gaan met pH verandering. Naarmate de ionconcentratie toeneemt, gaat de PL van nanodraden omhoog of omlaag met hellingen afhankelijk van de chemische soort. Dus ionische soorten en concentraties spelen cruciale rollen op PL.

De trends voortkom waarschijnlijk uit de combinatie van twee factoren die de PL beïnvloeden. De eerste is de reductie van de depletielaag door de ionische hechting aan het oppervlak. De tweede is de elektronenoverdracht naar de redoxniveaus van de ionen. Om de twee niet-identieke trends van PL intensiteit in verschillende zure oplossingen en zoutoplossingen voor GaN nanodraden en GaN films te begrijpen, toont Fig. 2 schematisch twee mechanismen waarmee de ionconcentratie de PL intensiteit controleert: (A) depletielaag reductie en (B) ladingsoverdracht naar redoxniveau [31, 47].

Uit de modellering van interface van halfgeleider en elektrolytoplossing [47], begrijpen we dat ionen alleen verdeeld zijn tussen de oplossing en het oppervlak van het vaste stof, dat wil zeggen, er zijn geladen lagen aan zowel GaN als oplossingen. Het potentieel aan de interface werd dan aangepast wat bandbuiging veroorzaakte. Fotokatalytische watersplitsing van poeder GaN onder lichtexcitatie resulteert uit het bandenergieschema van GaN waar de geleidingsbandrand van GaN 0,5 V hoger ligt dan het redoxpotentieel van H⁺/H₂ [30]. GaN nanodraden vertonen betere fotokatalytische activiteit vanwege het grote oppervlak wat fotokatalytische activiteit in het zuur pH gebied versterkt [38]. Vanwege de oppervlakte toestanden in de bandkloof, zullen de elektronen de klooftoestand vullen en het Ferminiveau is daar vastgepind [34, 43, 48]. De bandbuiging is getoond in Fig. 2a. Bij het oppervlak is er een depletielaag. Vanwege het sterke elektrische veld in de depletielaag, worden de foto-gegenereerde elektronen en gaten in tegengestelde richtingen gedreven en is de recombinatie voorkomen. Wanneer er een hoge concentratie ionen in de oplossing is, kunnen de ionen zich hechten aan het oppervlak om de oppervlaktelading densiteit te neutraliseren en de depletie wordt gereduceerd. Dergelijke hechten en losmaken van ionen verandert de ladingverdeling in de bandkloof in pH sensoren [49]. Eenmaal het energieband bijna plat wordt, wordt de elektronen-gaten recombinatie hersteld en PL versterkt zoals ook getoond in Fig. 2a.

Vanwege het grote oppervlak van nanodraden, is het depletielaag mechanisme belangrijker in de nanodraden dan in de films. Feitelijk zijn de kleine nanodraden volledig gedepleteerd [34]. In mechanisme (B), spelen de ionen een andere rol om de PL te beïnvloeden zoals getoond in Fig. 2b. Voor GaN nanodraden liggen de redoxniveaus van H⁺ en OH⁻ binnen de bandkloof [36, 50-52]. De foto-gegenereerde lading kan dus overdragen naar het redoxniveau in plaats van te recombinen. Bijvoorbeeld, de reactie tussen protonen en de foto-ladingsdragers 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ kan plaatsvinden. Omdat de depletielaag slechts een klein fractie van de films inneemt waar de meerderheid van de film niet gedepleteerd is, is mechanisme (A) relatief onbelangrijk. Daarom domineert het ladingsoverdracht mechanisme voor de films. Let op dat naarmate ionconcentratie toeneemt, voor mechanisme (A) de PL versterkt wordt, terwijl voor mechanisme (B) PL verminderd wordt. Voor GaN nanodraden wordt de PL bepaald door de concurrentie van (A) en (B). Voor GaN films wordt de PL bepaald door (B) meestal vanwege het kleine fractie van depletielaag van zijn beperkte oppervlak. Dit verklaart waarom GaN nanodraden ofwel toenemende of afnemende PL trends hebben met toenemende ionconcentratie, maar GaN films hebben alleen afnemende of bijna constante PL.

Naast de oplossingsconditie, zijn de vlakoriëntatie en polariteit van de twee vormen van GaN ongelijk. De GaN films zijn c-vlak met Ga-polariteit, maar de groeifront van de nanodraden is niet-polair m-vlak. Het oppervlak (de zijwand) is groter in nanodraden die een verscheidenheid aan sets van kristallografische vlakken vertonen als de doorsnede bijna circulair is. De polariteit kan deels bijdragen aan de pH-afhankelijke PL van GaN nanodraden en films.

Effect van oppervlakte op PL reactie

Wat betreft de morfologie van GaN, bijv. nanodraad en film, onderzochten we ook de PL van grotere nanodraden voor vergelijking. De diameters van zulke nanodraden zijn ~ 200 nm, terwijl de typische nanodraden ~ 60-80 nm zijn. Figuur 3a toont hoe HNO₃ en HCl de PL intensiteit van grotere GaN nanodraden beïnvloeden onder variatie van pH van 7 tot 1. Wanneer ze in HNO₃ gedompeld zijn, bereikt PL intensiteit een piek bij pH = 5,27. Integendeel, het heeft een opmerkelijke sprong in PL intensiteit in pH = 5,27 van HCl en stijgt staadig wanneer pH daalt. In Fig. 3b maken we een vergelijking van PL intensiteit van drie soorten monsters (nanodraden, films, en grotere nanodraden) in salpeterzuur en zoutzuur oplossingen. De PL intensiteitsverdeling van nanodraden met typische groottes en grotere nanodraden heeft dalende patronen met dalende pH in HNO₃ maar stijgende in HCl. Met andere woorden, de twee groottes van nanodraden presteren vergelijkbaar op PL reactie in zure oplossingen en volgen de mechanismen besproken in Fig. 2. Blijkbaar is de PL intensiteit van GaN films in zowel HCl als HNO₃ relatief stabiel en die in HCl is ongeveer constant.

Verder fluctueert de PL intensiteit van GaN nanodraden in hydrohalogene zuren, bijv. hydrobromzuur (HBr), zoutzuur (HCl) en hydrojodzuur (HI), geleidelijk met een opwaartse beweging wanneer pH waarden dalen van 7 tot 1 zoals getoond in Fig. 4.

Reverseerbaarheidsinteractie

Om het herhaalde gebruik voor toepassingen te evalueren, werden de tests herhaald met nanodraden in oplossingen van neutrale pH naar lage pH. De monsters werden ververst met DI water tussen elke test zoals genoteerd door pH 7 in Fig. 5. De PL intensiteit daalde toen pH lager ging, maar herstelde na DI water reiniging op monsters. Dergelijke reverseerbaarheid van de PL intensiteit onder veranderende pH van GaN nanodraden in zure oplossingen stelt langetermijntoepassingen in zuure chemische omgevingen in staat. Bovendien blijven de PL pieken waarop nanodraden in zure oplossingen gedompeld waren en na verwijdering van de oplossingen op ~ 3,4 eV (Bijlage 1: Fig. S1-S4). Dit bevestigt dat de microstructuren van de GaN nanodraden niet beschadigd waren tijdens de oplossingsbehandelingen.

Effect op kristalkwaliteit

Figuur 6 geeft de details van PL spectra over onderdompeling van GaN nanodraden in de vier zure oplossingen (Fig. 6a) en zoutoplossingen (Fig. 6b). Het beeldt de variatie van PL intensiteit met pH waarden of ionconcentraties, maar de hoofdpieken zijn nog steeds op ~ 3,4 eV. De brede directe bandkloof van 3,4 eV van GaN [46, 53] blijft in die zure oplossingen behouden wat suggereert dat het fysieke interactie vertoont in plaats van chemische reacties. De trends van intensiteit met pH waarden worden besproken in Fig. 1. De stabiele hoofdpiek op ~ 3,4 eV (Fig. 6 en Bijlage 1: Fig. S3-S7) duidt erop dat de microstructuur van GaN nanodraden behouden blijft na zure oplossing onderdompeling.

Let op dat oppervlakteoxide kan bijdragen aan gele luminescentie (YL) die geëmiteerd wordt van oppervlakte toestanden geassocieerd met galliumoxide [54] dat het vrije oppervlak versiert en mogelijk ook de substraatinterface en interne korrelgrenzen. Uit onze PL spectra is de YL niet significant wat aangeeft dat Ga oxide meestal verwijderd was door de HF dampbehandeling voor meting. Bovendien kan HCl de oppervlakteoxidelag etsen om de oxidebijdrage aan PL te elimineren.

Naast zuren, onderzochten we ook de impact van basische oplossing, bijv. ammoniumhydroxide oplossing (NH₄OH), op GaN nanodraden voor vergelijking door de PL reactie. De PL pieken van as-grown GaN nanodraden waren gelokaliseerd op ~ 3,4 eV, terwijl de pieken verschoven toen ze in NH₄OH oplossing gedompeld waren. De PL spectra voor pH = 11,24 (Fig. 7a) en 14,02 (Fig. 7b) toonden rode verschuivingen op pieken naar ~ 3,10 eV. De verschuiving suggereerde degradatie in GaN microstructuren. De irreversibele reactie (Bijlage 1: Fig. S6) kan veroorzaakt zijn door chemische reacties op de GaN structuren waar de GaN nanodraden beschadigd waren (Fig. 7c, d). Structurele defecten werden gegenereerd op het oppervlak van de GaN nanodraden wat de oppervlakte dichtheid van toestanden kon veranderen, dus de PL emissie. Na verwijdering van zulke oplossingen, bleven de pieken op 3,10 eV (Bijlage 1: Fig. S6) wat impliceert dat de verandering permanent was en de tests irreversibel waren in NH₄OH oplossing. In vergelijking, de morfologie van de nanodraden bleef zonder zichtbare oppervlakte-etsing in zure oplossingen, zoals HCl, zoals getoond in Fig. 7e, f.

Zuurgas moleculen zijn bekend om de PL van organische moleculen te beïnvloeden. PL komt voornamelijk van spin singulet exciton. Het singulet exciton kan gereduceerd worden tot niet-emissieve triplet exciton door de excitatie van de zuurstofmoleculen van de spin triplet toestand naar de singulet geëxciteerde toestand [55, 56]. In GaN is er weinig energieverschil tussen de singulet en triplet elektronen-gaten paar. De aanwezigheid van zuurstofmoleculen wordt niet verwacht om een niet-radiatieve vervalkanaal te vormen en de PL te beïnvloeden. In al onze experimentele condities is er een verzadigd zuurstofniveau in de oplossing. De trend van PL variatie voor diverse ionconcentratie is daarom niet te wijten aan het zuurstofniveau.

Conclusie

We hebben de stabiliteit en de reactie op PL van GaN nanodraden onderdompeld in verschillende soorten zure oplossingen bij varierende pH overeenkomstig verschillende ionconcentratie, en in zoutoplossingen met vaste pH maar verschillende concentraties gedemonstreerd. De PL reactie werd gemeten en gecorreleerd met ionconcentratie. In beide typen oplossingen waren de PL reacties van GaN nanodraden ofwel toenemend of afnemend. In vergelijking, waren de PL reacties relatief stabiel of licht afnemend van GaN films. De PL reacties waren verschillend van nanodraad en film van GaN die voortkwamen uit de verschillende bandstructuren van hen. De concurrentie van verandering in oppervlakte bandbuiging en ladingsoverdracht naar redoxniveau in oplossing werd overwogen, waar nanodraad volledig gedepleteerd kon zijn van zijn grote oppervlakken, maar de depletiefractie was klein en verwaarloosbaar voor films waar er slechts lichte variaties in PL intensiteit waren. Het bleek dat de PL reageert op ionen in plaats van slechts op pH waarden aangezien de reactie van PL intensiteit in zoutoplossingen en HX⁻ oplossingen de resultaten bevestigden. Dergelijke fysieke interactie beïnvloedde de PL pieken in zuren en zouten niet, terwijl er een rode verschuiving was op PL toen de nanodraden in basische oplossing waren, zoals NH₄OH, door chemische etsing die op de nanodraden plaatsvond. We toonden aan dat de PL een reverseerbare interactie had met die zuur- en zoutoplossingen. De stabiele en reverseerbare PL reactie van GaN nanodraden in die zure oplossingen stelt potentiële toepassing in dergelijke harde chemische omgevingen in staat.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.

Afkortingen

PL:

Fotoluminescentie

HVPE:

Hydride dampfase epitaxie

NH₃:

Ammoniak

GaCl:

Galliumchloride

He-Cd:

Helium-cadmium

HCl:

Zoutzuur

H₃PO₄:

Fosforzuur

HNO₃:

Salpeterzuur

CH₃COOH:

Azijnzuur

CH₃COOK:

Potassiumacetaat

KNO₃:

Potassiumnitraat

KCl:

Potassiumchloride

K₃PO₄:

Tripotassiumfosfaat

HBr:

Hydrobromzuur

HI:

Hydrojodzuur

YL:

Gele luminescentie

NH₄OH:

Ammoniumhydroxide oplossing