Probing magnetic ordering in air stable iron-rich van der Waals minerals

In the rapidly expanding field of two-dimensional materials, magnetic monolayers show great promise for the future applications in nanoelectronics, data storage, and sensing. The research in intrinsically magnetic two-dimensional materials mainly focuses on synthetic iodide and telluride based compounds, which inherently suffer from the lack of ambient stability. So far, naturally occurring layered magnetic materials have been vastly overlooked. These minerals offer a unique opportunity to explore air-stable complex layered systems with high concentration of local moment bearing ions. We demonstrate magnetic ordering in iron-rich two-dimensional phyllosilicates, focusing on mineral species of minnesotaite, annite, and biotite. These are naturally occurring van der Waals magnetic materials which integrate local moment baring ions of iron via magnesium/aluminium substitution in their octahedral sites. Due to self-inherent capping by silicate/aluminate tetrahedral groups, ultra-thin layers are air-stable. Chemical characterization, quantitative elemental analysis, and iron oxidation states were determined via Raman spectroscopy, wavelength disperse X-ray spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Superconducting quantum interference device magnetometry measurements were performed to examine the magnetic ordering. These layered materials exhibit paramagnetic or superparamagnetic characteristics at room temperature. At low temperature ferrimagnetic or antiferromagnetic ordering occurs, with the critical ordering temperature of 38.7 K for minnesotaite, 36.1 K for annite, and 4.9 K for biotite. In-field magnetic force microscopy on iron bearing phyllosilicates confirmed the paramagnetic response at room temperature, present down to monolayers.Comment: 19 pages, 6 figure

Electronic and lattice structure of small II-VI and I-III-VI quantum dots: a comparative spectroscopic study

Ternäre I-III-VI-Metall-Chalkogenid-Quantenpunkte (QDs) Cu-In-S (CIS), Ag-In-S (AIS) und Kern-Schale CIS/ZnS, AIS/ZnS stellen eine mögliche Alternative dar zu binären II-VI und IV-VI QDs, die giftige Metalle wie CdX und PbX (X = S, Se, Te) enthalten. I-III-VI QDs zeigen eine Kombination aus intensiver und einstellbarer Absorption von sichtbarem Licht und starker Photolumineszenz (PL), die vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich eingestellt werden kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen als Lumineszenzmaterialien für Leuchtdioden (LEDs), fluoreszierende Biomarkern, Solarzellen, Fotodetektionsmaterialien usw. Obwohl sie strukturell verwandt sind, sind die optischen Eigenschaften von II-VI und I-III-VI QDs sehr unterschiedlich - scharfe Absorptions- und PL-Merkmale für die ersteren und breit und ohne Merkmale für die letzteren, sogar für sehr kristalline QDs mit enger Größenverteilung. Die scheinbare Lücke zwischen den II-VI und I-III-VI QDs wird durch einen speziellen Typ von II-VI QDs gefüllt - sogenannte ultrakleine Nanopartikel oder magische Cluster, die eine Größe von 2-2,5 nm nicht überschreiten. Ihre Absorptionsspektren sind so scharf wie die von II-VI's und die PL ist so breit und intensiv wie bei I-III-VI's. Trotz ihrer II-VI-Zusammensetzung kann die vergleichbare Anzahl von Oberflächen- und Bulk-Atomen strukturelle Umlagerungen in den ultrakleinen QDs verursachen, die qualitativ und quantitativ ähnliche Auswirkungen auf die optischen Spektren haben können wie die Nicht-Stöchiometrie und Antisite in I-III-VI-QDs. Als Ergebnis der durchgeführten Forschung haben wir optische Spektren systematisch untersucht und basierend auf stationären und zeitaufgelösten PL-Daten zu QDs verschiedener Zusammensetzung und Oberflächenmodifikation eine vernünftige Erklärung für die ungewöhnlichen PL-Eigenschaften von I-III-VI- und ultrakleinen II-VI-QDs im Rahmen des Modells der selbstgefangenen Exzitonen vorschlagen (Kapitel 4). Mit Hilfe der Multiwellenlängen- und temperaturabhängigen Raman-Spektroskopie ist es uns gelungen, die Vibrations-Fingerabrücke der ultrakleinen II-VI-QDs und stark nicht-stöchiometrischen I-III-VI-QDs zu ermitteln (Kapitel 5). Mit der Kombination aus monochromatischer XPS und He I/He II UPS gingen wir über die konventionelle Anwendung der Photoemissionsspektroskopie im QD-Bereich als Sonde für die chemische Zusammensetzung hinaus. Es ist uns gelungen, einen systematischen Zusammenhang zwischen der elektronischen Struktur der QDs und ihren grundlegenden und für Anwendungen wichtigen Parametern wie Austrittsarbeit, Valenzband-Maximum-Offsets in Bezug auf die Fermi-Niveaus, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten herzustellen (Kapitel 6). Durch die Einbeziehung von Auger-Features in die Analyse ist es uns gelungen, die Hauptschwierigkeit bei der Aufnahme von Photoemissionsspektren von ex-situ präpariertem hybriden organisch-anorganischen Materialien wie kolloidalen QDs - den Aufladungseffekt - zu umgehen

Electronic and lattice structure of small II-VI and I-III-VI quantum dots: a comparative spectroscopic study

Ternäre I-III-VI-Metall-Chalkogenid-Quantenpunkte (QDs) Cu-In-S (CIS), Ag-In-S (AIS) und Kern-Schale CIS/ZnS, AIS/ZnS stellen eine mögliche Alternative dar zu binären II-VI und IV-VI QDs, die giftige Metalle wie CdX und PbX (X = S, Se, Te) enthalten. I-III-VI QDs zeigen eine Kombination aus intensiver und einstellbarer Absorption von sichtbarem Licht und starker Photolumineszenz (PL), die vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich eingestellt werden kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen als Lumineszenzmaterialien für Leuchtdioden (LEDs), fluoreszierende Biomarkern, Solarzellen, Fotodetektionsmaterialien usw. Obwohl sie strukturell verwandt sind, sind die optischen Eigenschaften von II-VI und I-III-VI QDs sehr unterschiedlich - scharfe Absorptions- und PL-Merkmale für die ersteren und breit und ohne Merkmale für die letzteren, sogar für sehr kristalline QDs mit enger Größenverteilung. Die scheinbare Lücke zwischen den II-VI und I-III-VI QDs wird durch einen speziellen Typ von II-VI QDs gefüllt - sogenannte ultrakleine Nanopartikel oder magische Cluster, die eine Größe von 2-2,5 nm nicht überschreiten. Ihre Absorptionsspektren sind so scharf wie die von II-VI's und die PL ist so breit und intensiv wie bei I-III-VI's. Trotz ihrer II-VI-Zusammensetzung kann die vergleichbare Anzahl von Oberflächen- und Bulk-Atomen strukturelle Umlagerungen in den ultrakleinen QDs verursachen, die qualitativ und quantitativ ähnliche Auswirkungen auf die optischen Spektren haben können wie die Nicht-Stöchiometrie und Antisite in I-III-VI-QDs. Als Ergebnis der durchgeführten Forschung haben wir optische Spektren systematisch untersucht und basierend auf stationären und zeitaufgelösten PL-Daten zu QDs verschiedener Zusammensetzung und Oberflächenmodifikation eine vernünftige Erklärung für die ungewöhnlichen PL-Eigenschaften von I-III-VI- und ultrakleinen II-VI-QDs im Rahmen des Modells der selbstgefangenen Exzitonen vorschlagen (Kapitel 4). Mit Hilfe der Multiwellenlängen- und temperaturabhängigen Raman-Spektroskopie ist es uns gelungen, die Vibrations-Fingerabrücke der ultrakleinen II-VI-QDs und stark nicht-stöchiometrischen I-III-VI-QDs zu ermitteln (Kapitel 5). Mit der Kombination aus monochromatischer XPS und He I/He II UPS gingen wir über die konventionelle Anwendung der Photoemissionsspektroskopie im QD-Bereich als Sonde für die chemische Zusammensetzung hinaus. Es ist uns gelungen, einen systematischen Zusammenhang zwischen der elektronischen Struktur der QDs und ihren grundlegenden und für Anwendungen wichtigen Parametern wie Austrittsarbeit, Valenzband-Maximum-Offsets in Bezug auf die Fermi-Niveaus, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten herzustellen (Kapitel 6). Durch die Einbeziehung von Auger-Features in die Analyse ist es uns gelungen, die Hauptschwierigkeit bei der Aufnahme von Photoemissionsspektren von ex-situ präpariertem hybriden organisch-anorganischen Materialien wie kolloidalen QDs - den Aufladungseffekt - zu umgehen

Electronic and lattice structure of small II-VI and I-III-VI quantum dots: a comparative spectroscopic study

Ternäre I-III-VI-Metall-Chalkogenid-Quantenpunkte (QDs) Cu-In-S (CIS), Ag-In-S (AIS) und Kern-Schale CIS/ZnS, AIS/ZnS stellen eine mögliche Alternative dar zu binären II-VI und IV-VI QDs, die giftige Metalle wie CdX und PbX (X = S, Se, Te) enthalten. I-III-VI QDs zeigen eine Kombination aus intensiver und einstellbarer Absorption von sichtbarem Licht und starker Photolumineszenz (PL), die vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich eingestellt werden kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen als Lumineszenzmaterialien für Leuchtdioden (LEDs), fluoreszierende Biomarkern, Solarzellen, Fotodetektionsmaterialien usw. Obwohl sie strukturell verwandt sind, sind die optischen Eigenschaften von II-VI und I-III-VI QDs sehr unterschiedlich - scharfe Absorptions- und PL-Merkmale für die ersteren und breit und ohne Merkmale für die letzteren, sogar für sehr kristalline QDs mit enger Größenverteilung. Die scheinbare Lücke zwischen den II-VI und I-III-VI QDs wird durch einen speziellen Typ von II-VI QDs gefüllt - sogenannte ultrakleine Nanopartikel oder magische Cluster, die eine Größe von 2-2,5 nm nicht überschreiten. Ihre Absorptionsspektren sind so scharf wie die von II-VI's und die PL ist so breit und intensiv wie bei I-III-VI's. Trotz ihrer II-VI-Zusammensetzung kann die vergleichbare Anzahl von Oberflächen- und Bulk-Atomen strukturelle Umlagerungen in den ultrakleinen QDs verursachen, die qualitativ und quantitativ ähnliche Auswirkungen auf die optischen Spektren haben können wie die Nicht-Stöchiometrie und Antisite in I-III-VI-QDs. Als Ergebnis der durchgeführten Forschung haben wir optische Spektren systematisch untersucht und basierend auf stationären und zeitaufgelösten PL-Daten zu QDs verschiedener Zusammensetzung und Oberflächenmodifikation eine vernünftige Erklärung für die ungewöhnlichen PL-Eigenschaften von I-III-VI- und ultrakleinen II-VI-QDs im Rahmen des Modells der selbstgefangenen Exzitonen vorschlagen (Kapitel 4). Mit Hilfe der Multiwellenlängen- und temperaturabhängigen Raman-Spektroskopie ist es uns gelungen, die Vibrations-Fingerabrücke der ultrakleinen II-VI-QDs und stark nicht-stöchiometrischen I-III-VI-QDs zu ermitteln (Kapitel 5). Mit der Kombination aus monochromatischer XPS und He I/He II UPS gingen wir über die konventionelle Anwendung der Photoemissionsspektroskopie im QD-Bereich als Sonde für die chemische Zusammensetzung hinaus. Es ist uns gelungen, einen systematischen Zusammenhang zwischen der elektronischen Struktur der QDs und ihren grundlegenden und für Anwendungen wichtigen Parametern wie Austrittsarbeit, Valenzband-Maximum-Offsets in Bezug auf die Fermi-Niveaus, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten herzustellen (Kapitel 6). Durch die Einbeziehung von Auger-Features in die Analyse ist es uns gelungen, die Hauptschwierigkeit bei der Aufnahme von Photoemissionsspektren von ex-situ präpariertem hybriden organisch-anorganischen Materialien wie kolloidalen QDs - den Aufladungseffekt - zu umgehen

The Influence of Process Parameters on the Microstructural Properties of Spray-Pyrolyzed β-Ga₂O₃

In this work, the deposition of β-Ga2O3 microstructures and thin films was performed with Ga(NO3)3 solutions by ultrasonic nebulization and spray coating as low-cost techniques. By changing the deposition parameters, the shape of β-Ga2O3 microstructures was controlled. Micro-spheres were obtained by ultrasonic nebulization. Micro-flakes and vortices were fabricated by spray coating aqueous concentrated and diluted precursor solutions, respectively. Roundish flakes were achieved from water–ethanol mixtures, which were rolled up into tubes by increasing the number of deposition cycles. Increasing the ethanol-to-water ratio allows continuous thin films at an optimal Ga(NO3)3 concentration of 0.15 M and a substrate temperature of 190 °C to be formed. The monoclinic β-Ga2O3 phase was achieved by thermal annealing at 1000 °C in an ambient atmosphere. Scanning electronic microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and UV-Raman spectroscopy were employed to characterize these microstructures. In the XRD study, in addition to the phase information, the residual stress values were determined using the sin2(ψ) method. Raman spectroscopy confirms that the β-Ga2O3 phase and relative shifts of the Raman modes of the different microstructures can partially be assigned to residual stress. The high-frequency Raman modes proved to be more sensitive to shifting and broadening than the low-frequency Raman modes

“Green” Aqueous Synthesis and Advanced Spectral Characterization of Size-Selected Cu2ZnSnS4 Nanocrystal Inks

Structure, composition, and optical properties of colloidal mercaptoacetate-stabilized Cu2ZnSnS4 (CZTS) nanocrystal inks produced by a “green” method directly in aqueous solutions were characterized. A size-selective precipitation procedure using 2-propanol as a non-solvent allows separating a series of fractions of CZTS nanocrystals with an average size (bandgap) varying from 3 nm (1.72 eV) to 2 nm (2.04 eV). The size-selected CZTS nanocrystals revealed also phonon confinement, with the main phonon mode frequency varying by about 4 cm−1 between 2 nm and 3 nm NCs

Copper-Content Dependent Structural and Electrical Properties of CZTS Films Formed by “Green” Colloidal Nanocrystals

Thin films of colloidal CZTS nanocrystals (NCs) synthesized using a “green” approach in water with a variation of the copper-to-tin ratio are investigated by Raman scattering, mid-infrared (molecular vibrations) and near-infrared (free carrier) absorption, X-ray photoemission spectroscopy (XPS), electrical conductivity, and conductive atomic force microscopy (cAFM). We determined the effect of the actual Cu content on the phonon spectra, electrical conductivity, and spectral parameters of the plasmon band. An increase in the electrical conductivity of the NC films upon annealing at 220 °C is explained by three factors: formation of a CuxS nanophase at the CZTS NC surface, partial removal of ligands, and improved structural perfection. The presence of the CuxS phase is concluded to be the determinant factor for the CZTS NC film conductivity. CuxS can be reliably detected based on the analysis of the modified Auger parameter of copper, derived from XPS data and corroborated by Raman spectroscopy data. Partial removal of the ligand is concluded from the agreement of the core-level XPS and vibrational IR spectra. The degree of lattice perfection can be conveniently assessed from the Raman data as well. Further important information derived from a combination of photoelectron and optical data is the work function, ionization potential, and electron affinity of the NC films

Raman study of flash-lamp annealed aqueous Cu2ZnSnS4 nanocrystals

The effect of flash-lamp annealing (FLA) on the re-crystallization of thin films made of colloidal Cu2ZnSnS4 nanocrystals (NCs) is investigated by Raman spectroscopy. Unlike similar previous studies of NCs synthesized at high temperatures in organic solvents, NCs in this work, which have diameters as small as 2–6 nm, were synthesized under environmentally friendly conditions in aqueous solution using small molecules as stabilizers. We establish the range of FLA conditions providing an efficient re-crystallization in the thin film of NCs, while preserving their kesterite structure and improving their crystallinity remarkably. The formation of secondary phases at higher FLA power densities, as well as the dependence of the formation on the film thickness are also investigated. Importantly, no inert atmosphere for the FLA treatment of the NCs is required, which makes this technology even more suitable for mass production, in particular for printed thin films on flexible substrates

Phonon Spectra of Strongly Luminescent Nonstoichiometric Ag–In–S, Cu–In–S, and Hg–In–S Nanocrystals of Small Size

We present a detailed analysis of Raman and infrared (IR) phonon spectra of strongly luminescent non-stoichiometric M-In-S (M = Cu, Ag, Hg) and core/shell M-In-S/ZnS nanocrystals (NCs) of small size (d  2-4 nm), formed by means of aqueous colloidal chemistry under mild conditions. Despite presumably similar factors determining position and broadening of the Raman and X-ray diffraction (XRD) peaks, phonon spectra are shown to be more sensitive to NC composition and crystals structure. The spectral Raman pattern of these strongly M-deficient M-In-S NCs is different from that of the corresponding stoichiometric phases, e.g. CuInS2 or AgIn5S8, and excludes its assignment to relevant binary sulfides, e.g. In2S3. Resonant behavior of relative peak intensities in Raman spectra is different from that of larger-size stoichiometric NCs and bulk samples studied before, while the temperature dependence reveals an analogous enhancement of the highest-frequency LO modes supporting an unambiguous assignment of the latter. Therefore, we conclude that the Raman spectra observed are characteristic of the specific structure of these highly non-stoichiometric small NCs. IR modes of these NCs occur in the same frequency range as the Raman ones but at higher frequencies than the IR phonons in bulk material. The IR spectra are less characteristic, compared to Raman ones, revealing more similarity among the three NC compounds and with the bulk counterparts