Fotoluminiscencia estable y reversible de nanocables de GaN en ajuste de solución por concentración iónica

Resumen

Divulgamos la respuesta de fotoluminiscencia (PL) de nanocables de GaN sin protección en soluciones. La respuesta distinta no es solo hacia el pH, sino también hacia la concentración iónica bajo el mismo pH. Los nanocables parecen ser muy estables en solución acuosa con alta concentración iónica y un valor de pH bajo hasta 1. Demostramos que el PL tiene una interacción reversible con varios tipos de soluciones ácidas y salinas. Los estados cuánticos de los nanocables están expuestos al entorno externo y tienen una interacción física directa que depende de los aniones de los ácidos. A medida que aumenta la concentración iónica, la intensidad de PL aumenta o disminuye según la especie química. La respuesta resulta de una competencia de cambio en la flexión de la banda de la superficie y la transferencia de carga al nivel redox en la solución. El de las películas de GaN se informa para comparación, ya que el efecto de la flexión de la banda de la superficie puede despreciarse de modo que solo hay ligeras variaciones en la intensidad de PL para las películas de GaN. Además, dicha interacción física no impacta en los picos de PL en ácidos y sales, mientras que hay un corrimiento hacia el rojo en PL cuando los nanocables están en solución básica, digamos NH4OH, debido al grabado químico que se produjo en los nanocables.

Introducción

El GaN cristalino ha sido elegido como un material semiconductor prometedor con una banda prohibida amplia y directa de 3,39 eV. Tiene muchas buenas propiedades de material que se han aplicado a amplias aplicaciones, como diodos de emisión de luz azul / ultravioleta [1, 2], optoelectrónica [3, 4], dispositivos de alta temperatura / alta potencia [5, 6] y transistor de efecto de campo [7, 8]. En comparación con el material a granel, las nanoestructuras unidimensionales existen intrínsecamente eficientes en la relajación reticular [9]. Por lo tanto, pueden cultivarse con menos defectos cristalinos [10], y esto constituye el principal beneficio donde la emisión de fotoluminiscencia (PL) y las propiedades eléctricas se ven afectadas por estos defectos. Los nanocables largos proporcionan superficies más grandes para ser utilizadas, lo que podría ser de gran utilidad en aplicaciones químicas y de sensores [11, 12]. Además, GaN es estable y no se limita al vacío, lo que permite aplicaciones en entornos químicos.

La fotoluminiscencia es una de las propiedades más utilizadas para estudiar los estados cuánticos de un material [13, 14], ya que PL proviene de la desintegración radiativa de los estados excitados. Para los materiales en estado sólido, la interacción de PL con las condiciones químicas circundantes proporciona una forma de probar los estados excitados. Esta interacción de superficie también se puede utilizar para sensores químicos e imágenes [15, 16]. Sin embargo, para la mayoría de los materiales, el PL se degrada en un ambiente reactivo porque se apaga fácilmente por los estados de defectos superficiales o por la transferencia de portadores fotogenerados a las especies iónicas en la solución [17, 18]. En particular, PL es inestable para la mayoría de los semiconductores orgánicos e inorgánicos en la solución acuosa [19,20,21]. En consecuencia, para los puntos cuánticos de semiconductores inorgánicos fluorescentes, a menudo se requiere una estructura de núcleo-capa para proteger los estados cuánticos emisores de luz [21,22,23,24,25]. Por lo tanto, la interacción entre los productos químicos en solución y el estado cuántico se debilita debido a la protección.

Se propusieron sensores de pH ópticos que superaron problemas como la deriva de la señal, los efectos de la fotocorriente parásita y la estabilidad del contacto eléctrico encapsulado en líquidos químicamente agresivos, aunque no podían cubrir un amplio rango de pH [26]. Las propiedades de luminiscencia de las nanopartículas inorgánicas recubiertas y no recubiertas podrían responder a variaciones de pH en un rango más amplio [27, 28], pero el potencial eléctrico de las nanopartículas libres no se puede controlar, lo que impide un análisis cuantitativo de la respuesta del pH. Las excelentes propiedades ópticas de los nanocables de nitruro del grupo III [29, 30] permiten el uso del pH y la respuesta de polarización a la intensidad de PL como señal de detección [31]. La posición de los bordes de la banda en los materiales de nitruro del grupo III con respecto a los niveles redox del agua atrae la atención para la aplicación en la separación de agua fotocatalítica por transferencia de carga a través de la interfaz de nitruro-material / electrolito del grupo III [32,33,34]. Se ha demostrado que la eficiencia de este proceso mejora si se utilizan nanocables en lugar de electrodos planos [35].

Hasta ahora, la mayor parte del estudio de PL sobre nanocables de GaN se ha realizado en el aire. Hay pocos informes que discutan PL en solución. Los iones pueden cambiar el proceso de recombinación del fotoportador. La excitación óptica de nanocables en solución está relacionada con aplicaciones potenciales como la división de agua y el sensor de iones.

En este trabajo, estudiamos la respuesta de PL de nanocables de GaN, que contienen una superficie de GaN altamente sensible [35,36,37,38], sumergidos en agua, incluidos ácidos, bases y sales sin ninguna protección. La configuración, distinta de la configuración típica para la reacción electroquímica [39,40,41,42,43], es menos complicada sin los terminales electroquímicos enchapados. La respuesta PL se mide y se correlaciona con la concentración de iones. Los estados cuánticos de los nanocables están expuestos al entorno externo y tienen una interacción física directa. Descubrimos que PL aumenta principalmente con la concentración iónica para los nanocables, pero disminuye para las películas. Mostramos que la dependencia del PL de los iones tiene una interacción reversible con varios tipos de soluciones ácidas y salinas. Anteriormente, había un informe que usaba la solución salina tamponada con fosfato estándar con una concentración de fosfato de 0.01 M para mantenerla en una concentración iónica alta constante, por lo que solo se cambiaban los valores de pH en las mediciones y el PL de los nanocables dependía solo del valor de pH [ 31]. En nuestro trabajo, no existe una solución tampón de fondo y la concentración iónica es variable. El PL responde a los iones en lugar de simplemente a los valores de pH. Resulta que el PL no solo está controlado por el valor de pH, sino que también depende de la concentración de aniones de los ácidos. El mecanismo de reacción informado aquí es diferente de la electroquímica que requiere electrodos para las mediciones, y la concentración de iones en nuestra configuración experimental cambia con el pH, que principalmente contribuye con PL. Las tendencias se pueden interpretar por la competencia de dos efectos de los iones:la transferencia del portador al nivel redox y el cambio de la región de agotamiento.

Desde el punto de vista de la aplicación, se puede aplicar una respuesta PL estable en un entorno químico agresivo para controlar los desechos o el agua contaminada durante un tiempo prolongado. Si un trozo de nanocables de GaN se sumerge en dicha agua, su respuesta PL se puede obtener a partir de la excitación óptica externa y la recolección de fluorescencia. La ventaja de los nanocables de GaN es que solo tiene interacción física pero no química debido a su estabilidad superior en condiciones extremas. El papel de prueba convencional o el sensor electroquímico no pueden funcionar en tales condiciones durante un período prolongado. Además, los tres terminales electroquímicos no son necesarios en nuestra configuración experimental para mantener el potencial del electrolito. Esto hace que la configuración sea mucho más sencilla. No hay reacción química; Se establece una imagen clara del proceso de relajación del fotoportador para el importante material de los nanocables de GaN en solución de electrolitos. Tal imagen puede beneficiar el desarrollo futuro de nuevas aplicaciones de GaN como sensores de iones o división de agua.

Métodos

Síntesis de películas y nanocables de GaN

El crecimiento de nanocables de GaN a través del mecanismo VSS y las películas de GaN se fabricaron en un sistema de epitaxia en fase de vapor de hidruro (HVPE) [44, 45], donde el nivel de vacío es de 1 atmósfera. Los gases precursores fueron amoníaco (NH ₃ ) y cloruro de galio (GaCl) formado al hacer fluir gas HCl diluido con nitrógeno a través de Ga fundido a 850 ° C. Para el crecimiento de nanocables, se seleccionó Ni como catalizador y el crecimiento tuvo lugar a 880 ° C con V / III =20 y gas portador N ₂ de 400 sccm. Los nanocables de GaN luego crecieron cuando los dos gases precursores, GaCl (como fuente de Ga) y NH ₃ (como fuente de N), se reunió y reaccionó cerca de las muestras a 650–950 ° C. Los nanocables de GaN estaban orientados al eje m [45]. Tenga en cuenta que los catalizadores de Ni-Ga fueron atacados por HCl del flujo y el producto secundario de las reacciones durante el crecimiento [46]. La película gruesa de GaN con orientación c se hizo crecer en zafiro en el sistema HVPE a una temperatura de crecimiento de 1050 ° C. El espesor de las películas de GaN es de 300 ± 10 μm.

Preparación de la muestra

Las muestras de GaN se almacenaron a bajo vacío (~ 10–1 Torr) después del crecimiento y se trataron con vapor de HF para eliminar el posible óxido antes de las mediciones de PL.

Medición PL

La configuración de las medidas de la propiedad PL se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1. El láser de helio-cadmio (He-Ca) se utiliza como fuente de luz de excitación para la salida de onda continua a una longitud de onda de 325 nm. La función de la fibra era recolectar la emisión de fotones de PL y conectarse al espectrómetro de imágenes iHR 550 diseñado para mediciones espectrales. El iHR 550 era un espectrómetro de triple rejilla automatizado.

Las ranuras de entrada y salida del sistema jugaron un papel clave. En particular, cuanto más anchos fueran, menor sería la resolución del espectro PL. Sin embargo, si las ranuras fueran demasiado estrechas, los ruidos podrían afectar significativamente las señales. En esta medida utilizamos una rejilla de 1200 surcos / mm y la rendija fue de 0,2 mm con el objetivo de obtener una excelente resolución. El tubo fotomultiplicador fue el detector con la fuente de alimentación (950 V). Para permitir que el láser se enfocara en la muestra, las mediciones tenían que usar tres espejos dicroicos y dos lentes de enfoque. Después de concentrarse, el diámetro del punto era de aproximadamente 0,3 mm y la densidad de potencia alcanzó 21 W / cm ² en la superficie de la muestra. La fotografía de la configuración experimental se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2.

Observación morfológica

La morfología de los nanocables de GaN se examinó utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM; JEOL-6700F SEM).

Resultados y discusión

Respuesta PL de GaN hacia la concentración de iones en soluciones ácidas y salinas

La Figura 1a, b ilustra la influencia de los valores de pH que van de 1 a 7, utilizando soluciones ácidas y agua desionizada, en nanocables de GaN y películas de GaN. Muestran que la intensidad de PL con diferentes valores de pH tiene dos tendencias notables para diferentes soluciones ácidas. En particular, la intensidad PL de los nanocables de GaN en los ácidos clorhídricos (HCl) aumenta significativamente con un pH que varía de 7 a 1 y en el ácido fosfórico (H ₃ PO ₄ ) aumenta ligeramente, mientras que la intensidad disminuye drásticamente cuando los nanocables de GaN son ácido nítrico (HNO ₃ ) y ácido acético (CH ₃ COOH) con valores de pH que disminuyen de 7 a 1 como se muestra en la Fig. 1a. De manera similar, en la Fig. 1b, presenta los resultados de los cambios en la intensidad PL de las películas de GaN en estas soluciones ácidas. La respuesta PL experimenta una disminución en CH ₃ COOH de pH neutro a más bajo y tendencias suaves a la baja o estables en el resto de soluciones ácidas. La diferencia más sorprendente en comparación con el efecto sobre los nanocables de GaN y las películas gruesas es que la intensidad PL de los nanocables de GaN sigue aumentando o disminuyendo constantemente, pero la de las películas de GaN es relativamente estable a medida que bajan o la variación se mantiene dentro de un rango. Tenga en cuenta que las concentraciones de iones de las soluciones ácidas son diferentes correspondientes a los valores de pH. Las pruebas de las muestras en soluciones salinas cuyo pH es 7 pero con diferentes concentraciones de iones se realizan para verificar la respuesta hacia los iones a pH constante.

Distribución de la intensidad de PL en diferentes valores de pH de soluciones ácidas y soluciones salinas a diferentes concentraciones. El láser He-Ca se utiliza aquí y a continuación como fuente de luz de excitación para la salida de onda continua a una longitud de onda de 325 nm. un La respuesta PL de nanocables de GaN con diámetros que oscilan entre 60 y 80 nm en soluciones ácidas. b La respuesta PL de películas de GaN con ~ 300 μm de espesor en soluciones ácidas. c La respuesta PL de nanocables de GaN en soluciones salinas con diferentes concentraciones. d La respuesta PL de películas de GaN en soluciones salinas con diferentes concentraciones

Para confirmar la tendencia con la concentración de iones, investigamos los efectos de las soluciones salinas con diferentes concentraciones sobre la intensidad de PL en términos de dos tipos de materiales:nanocables de GaN y películas de GaN como se muestra en los gráficos lineales de la Fig. 1c, d. La intensidad PL de los nanocables de GaN es testigo de un aumento constante del acetato de potasio (CH ₃ COOK) y nitrato de potasio (KNO ₃ ) junto con el aumento de la concentración de sal de 0,001 a 1 M. Por el contrario, el cloruro de potasio (KCl) desciende de 0,001 a 0,01 M pero aumenta gradualmente de 0,01 a 1 M. El del fosfato tripotásico (K ₃ PO ₄ ) tiene un aumento significativo de 0.001 y 0.1 M, mientras que la pendiente disminuye de 0.01 a 0.1 M. La intensidad disminuye cuando la concentración sube a 1 M. Considerando la Fig.1d para películas de GaN, todas las pendientes muestran tendencias descendentes en el cuatro tipos de sales con aumento en la concentración de sal, que es diferente a la de los nanocables de GaN. Los resultados son consistentes con los de las soluciones ácidas donde las películas de GaN tienen tendencias descendentes en la intensidad de PL, pero la intensidad puede subir o bajar con el cambio de pH. A medida que aumenta la concentración iónica, el PL de los nanocables sube o baja con pendientes dependiendo de la especie química. Por lo tanto, las especies y concentraciones iónicas juegan un papel crítico en PL.

Las tendencias probablemente resulten de la combinación de dos factores que afectan el PL. El primero es la reducción de la región de agotamiento por la unión iónica en la superficie. El segundo es la transferencia de electrones a los niveles redox de los iones. Para comprender las dos tendencias no idénticas de intensidad de PL en diferentes soluciones ácidas y soluciones salinas para nanocables de GaN y películas de GaN, la Fig.2 muestra esquemáticamente dos mecanismos por los cuales la concentración de iones controla la intensidad de PL:(A) reducción de la región de agotamiento y ( B) transferencia de carga al nivel redox [31, 47].

Ilustración esquemática del efecto de la concentración de iones sobre la intensidad de la fotoluminiscencia. E es energía. E _c , E _v y ε _F son el borde de la banda de conducción, el borde de la banda de cenefa y el nivel de Fermi, respectivamente. un Región de agotamiento de la superficie causada por los electrones atrapados en los estados de superficie. b Región de agotamiento neutralizada por la unión de iones positivos H ⁺ o K ⁺ . c Transferencia de electrones al nivel redox de H ⁺

A partir del modelado de la interfaz de semiconductor y solución de electrolito [47], entendemos que los iones se distribuyen solo entre la solución y la superficie del sólido, es decir, hay capas cargadas tanto en GaN como en soluciones. A continuación, se ajustó el potencial en la interfaz, lo que provocó la flexión de la banda. El agua fotocatalítica que se separa de GaN en polvo bajo irradiación de luz resulta del esquema de energía de la banda de GaN donde el borde de la banda de conducción de GaN se coloca 0.5 V más alto que el potencial redox de H + / H ₂ [30]. Los nanocables de GaN exhiben una mejor actividad fotocatalítica debido a la gran superficie que mejora la actividad fotocatalítica en la región de pH ácido [38]. Debido a los estados de superficie en la banda prohibida, los electrones llenarán el estado de la brecha y el nivel de Fermi se fijará allí [34, 43, 48]. La flexión de la banda se muestra en la Fig. 2a. Cerca de la superficie, hay una región de agotamiento. Debido al fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento, los electrones y huecos fotogenerados serán conducidos en direcciones opuestas y se evitará la recombinación. Cuando hay una alta concentración de iones en la solución, los iones pueden unirse a la superficie para neutralizar la densidad de carga de la superficie y se reduce el agotamiento. Tal unión y desprendimiento de iones altera la distribución de carga en la banda prohibida en los sensores de pH [49]. Una vez que la banda de energía se vuelve casi plana, se restaura la recombinación de electrones y huecos y se mejora la PL como también se muestra en la Fig. 2a.

Debido a la gran superficie de los nanocables, el mecanismo de la región de agotamiento es más importante en los nanocables que en las películas. De hecho, los nanocables pequeños están completamente agotados [34]. En el mecanismo (B), los iones juegan un papel diferente para afectar el PL como se muestra en la Fig. 2b. Para los nanocables de GaN, los niveles redox de H ⁺ y OH ^- están dentro de la banda prohibida [36, 50,51,52]. El portador fotogenerado puede, por lo tanto, transferirse al nivel redox en lugar de recombinarse. Por ejemplo, la reacción entre los protones y los fotoportadores 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ puede tener lugar. Debido a que la región de agotamiento solo toma una pequeña fracción de las películas donde la mayor parte de la película no está agotada, el mecanismo (A) es relativamente poco importante. Por tanto, el mecanismo de transferencia de carga domina en las películas. Tenga en cuenta que a medida que aumenta la concentración iónica, para el mecanismo (A) el PL aumenta, mientras que para el mecanismo (B) PL se reduce. Para los nanocables de GaN, el PL está determinado por la competencia de (A) y (B). Para las películas de GaN, el PL está determinado por (B) principalmente debido a la pequeña fracción de la región de agotamiento de su superficie limitada. Esto explica por qué los nanocables de GaN tienen tendencias de PL crecientes o decrecientes al aumentar la concentración de iones, pero las películas de GaN solo tienen PL decrecientes o casi constantes.

Además de la condición de solución, la orientación del plano y la polaridad de las dos formas de GaN son diferentes. Las películas de GaN tienen un plano c con polaridad Ga, pero el frente de crecimiento de los nanocables es un plano m no polar. El área de la superficie (la pared lateral) es mayor en los nanocables que exhiben una variedad de conjuntos de planos cristalográficos si se asume que la sección transversal es casi circular. La polaridad puede contribuir parcialmente al PL dependiente del pH de los nanocables y películas de GaN.

Efecto del área de superficie en la respuesta PL

Con respecto a la morfología de GaN, por ejemplo, nanoalambres y películas, también investigamos el PL de nanocables más grandes para comparar. Los diámetros de estos nanocables son ~ 200 nm, mientras que los nanocables típicos son ~ 60-80 nm. La Figura 3a muestra cómo HNO ₃ y el HCl afectan la intensidad PL de nanocables de GaN más grandes con una variación de pH de 7 a 1. Cuando se sumergen en HNO ₃ , La intensidad de PL alcanza un pico a pH =5,27. Por el contrario, tiene un salto notable en la intensidad de PL en pH =5.27 de HCl y aumenta constantemente cuando el pH baja. En la Fig. 3b, comparamos la intensidad PL de tres tipos de muestras (nanocables, películas y nanocables más grandes) en soluciones ácidas nítricas y clorhídricas. La distribución de intensidad PL de nanocables con tamaños típicos y nanocables más grandes tiene patrones descendentes con un pH más bajo en HNO ₃ pero hacia arriba en HCl. En otras palabras, los dos tamaños de nanocables funcionan de manera similar en la respuesta PL en soluciones ácidas y sigue los mecanismos discutidos en la Fig. 2. Aparentemente, la intensidad PL de las películas de GaN tanto en HCl como en HNO ₃ es relativamente estable y eso en HCl es aproximadamente constante.

Comparación de la intensidad de PL de diferentes tamaños y dimensiones de GaN. un La distribución de la intensidad de PL en varios valores de pH de soluciones ácidas en nanocables de GaN más grandes con diámetros de ~ 200 nm. b Una comparación de la intensidad de PL para nanocables de GaN, películas de GaN y nanocables de GaN más grandes en HNO ₃ y HCl

Además, la intensidad PL de los nanocables de GaN en ácidos hidrohálicos, por ejemplo, ácido bromhídrico (HBr), ácido clorhídrico (HCl) y ácido yodhídrico (HI), fluctúa gradualmente con un movimiento ascendente al disminuir los valores de pH de 7 a 1 como se muestra en Figura 4.

La distribución de intensidad PL de nanocables de GaN bajo variaciones de pH en tres soluciones ácidas hidrohalicas

Interacción de reversibilidad

Para evaluar el uso repetido para aplicaciones, se repitieron las pruebas con nanocables en soluciones desde pH neutro hasta pH bajo. Las muestras se refrescaron con agua DI entre cada prueba, como se indica en el pH 7 en la Fig. 5. La intensidad de PL se redujo cuando el pH bajó, pero se restableció después de la limpieza con agua DI en las muestras. Tal reversibilidad de la intensidad de PL bajo el cambio de pH de los nanocables de GaN en soluciones ácidas permite aplicaciones a largo plazo en entornos químicos ácidos. Además, los picos PL en los que los nanocables se sumergen en soluciones ácidas y al eliminar las soluciones se mantienen en ~ 3,4 eV (archivo adicional 1:Fig. S1-S4). Confirmó que las microestructuras de los nanocables de GaN no se dañaron durante los tratamientos en solución.

Reversibilidad de la intensidad PL de nanocables de GaN en CH ₃ COOH y HNO ₃ con varios valores de pH

Efecto sobre la calidad del cristal

La Figura 6 proporciona los detalles de los espectros PL sobre la inmersión de nanocables de GaN en las cuatro soluciones ácidas (Fig. 6a) y soluciones salinas (Fig. 6b). Representa la variación de la intensidad de PL con valores de pH o concentraciones iónicas, pero los picos principales todavía se encuentran en ~ 3.4 eV. La banda prohibida amplia y directa de 3.4 eV de GaN [46, 53] se mantiene en esas soluciones ácidas, lo que sugiere que exhibe interacción física en lugar de reacciones químicas. Las tendencias de intensidad con valores de pH se analizan en la Fig. 1. El pico principal estable a ~ 3.4 eV (Fig. 6 y archivo adicional 1:Fig. S3-S7) indica la microestructura de los nanocables de GaN que se mantiene después de la inmersión en solución ácida.

Espectros PL cuando los nanocables de GaN se sumergen en soluciones de diferentes pH o concentraciones. un Espectros PL de nanocables de GaN en soluciones ácidas y b Espectros PL de nanocables de GaN en soluciones salinas

Tenga en cuenta que el óxido de la superficie podría contribuir a la luminiscencia amarilla (YL) que se emite a partir de los estados de la superficie asociados con el óxido de galio [54] que decora la superficie libre y posiblemente también la interfaz del sustrato y los límites internos del grano. De nuestros espectros PL, el YL no es significativo, lo que indica que el óxido de Ga fue eliminado principalmente por el tratamiento con vapor de HF antes de la medición. Además, el HCl puede grabar la capa de óxido de la superficie y eliminar la contribución de óxido al PL.

A pesar de los ácidos, también investigamos el impacto de la solución básica, por ejemplo, la solución de hidróxido de amonio (NH ₄ OH), en nanocables de GaN para su comparación a través de la respuesta PL. Los picos PL de los nanocables de GaN recién desarrollados se ubicaron en ~ 3.4 eV, mientras que los picos cambiaron al sumergirlos en NH ₄ Solución de OH. Los espectros PL para pH =11,24 (Fig. 7a) y 14,02 (Fig. 7b) mostraron cambios al rojo en los picos a ~ 3,10 eV. El cambio sugirió la degradación en las microestructuras de GaN. La reacción irreversible (archivo adicional 1:Fig. S6) podría ser causada por reacciones químicas en las estructuras de GaN donde se dañaron los nanocables de GaN (Fig. 7c, d). Se generaron defectos estructurales en la superficie de los nanocables de GaN que podrían alterar la densidad superficial de los estados y, por lo tanto, la emisión de PL. Tras la eliminación de dichas soluciones, los picos se mantuvieron en 3,10 eV (archivo adicional 1:Fig. S6) lo que implica que el cambio fue permanente y las pruebas fueron irreversibles en NH ₄ Solución de OH. En comparación, la morfología de los nanocables permaneció sin grabado superficial visible en soluciones ácidas, digamos HCl, como se muestra en la Fig. 7e, f.

Los espectros PL de nanocables de GaN en NH ₄ OH y las imágenes SEM correspondientes. un Señala cuando los nanocables están en NH ₄ OH a pH =11,24. b Señala cuando los nanocables están en NH ₄ OH a pH =14,02. c Imagen SEM de los nanocables de GaN recién desarrollados. d Los nanocables de GaN después de sumergirse en NH ₄ Solución de OH durante 20 min. e Imagen SEM de los nanocables de GaN recién desarrollados. f Los nanocables después de las pruebas de sumergirlos en la solución ácida, HCl, durante 20 minutos

Se sabe que las moléculas de oxígeno afectan el PL de las moléculas orgánicas. El PL proviene principalmente del excitón singlete de espín. El excitón singlete podría reducirse a excitón triplete no emisivo mediante la excitación de las moléculas de oxígeno desde el estado triplete de espín al estado excitado singlete [55, 56]. En GaN, hay poca diferencia de energía entre el par electrón-hueco singlete y triplete. No se espera que la presencia de moléculas de oxígeno forme un canal de desintegración no radiativo y afecte al PL. En todas nuestras condiciones experimentales, hay un nivel de oxígeno saturado en la solución. Por lo tanto, la tendencia de variación de PL para diversas concentraciones de iones no se debe al nivel de oxígeno.

Conclusión

Hemos demostrado la estabilidad y la respuesta a PL de nanocables de GaN sumergidos en diferentes tipos de soluciones ácidas a pH variable correspondiente a diferentes concentraciones de iones, y en soluciones salinas con pH fijo pero diferentes concentraciones. La respuesta PL se midió y se correlacionó con la concentración de iones. En ambos tipos de soluciones, las respuestas PL de los nanocables de GaN aumentaron o disminuyeron. En comparación, las respuestas PL fueron relativamente estables o disminuyeron ligeramente con respecto a las películas de GaN. Las respuestas de PL fueron distintas de los nanocables y la película de GaN que resultaron de las diferentes estructuras de bandas de ellos. Se consideró la competencia del cambio en la flexión de la banda de la superficie y la transferencia de carga al nivel redox en la solución, donde el nanoalambre podría agotarse por completo en sus grandes áreas de superficie, pero la fracción de agotamiento fue pequeña e insignificante para películas donde solo había ligeras variaciones en la intensidad de PL . Resultó que el PL responde hacia los iones en lugar de simplemente hacia los valores de pH como la respuesta de la intensidad del PL en soluciones salinas y HX ^- soluciones confirmaron los resultados. Tal interacción física no tuvo impacto en los picos de PL en ácidos y sales, mientras que hubo un corrimiento al rojo en PL cuando los nanocables estaban en solución básica, digamos NH ₄ OH, debido al ataque químico que se produjo en los nanocables. Demostramos que el PL tenía una interacción reversible con esas soluciones ácidas y salinas. La respuesta PL estable y reversible de los nanocables de GaN en esas soluciones ácidas permite la aplicación potencial en entornos químicos tan duros.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Abreviaturas

PL:: Fotoluminiscencia
HVPE:: Epitaxia en fase vapor de hidruro
NH ₃ :: Amoníaco
GaCl:: Cloruro de galio
He – Ca:: Helio-cadmio
HCl:: Ácidos clorhídricos
H ₃ PO ₄ :: Ácido fosfórico
HNO ₃ :: Ácido nítrico
CH ₃ COOH:: Ácido acético
CH ₃ COCINAR:: Acetato de potasio
KNO ₃ :: Nitrato de potasio
KCl:: Cloruro de potasio
K ₃ PO ₄ :: Fosfato tripotásico
HBr:: Ácido bromhídrico
HI:: Ácido yodhídrico
YL:: Luminiscencia amarilla
NH ₄ OH:: Solución de hidróxido de amonio

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