Порівняльні оптичні та енергетичні характеристики екситонів у водних розчинах та твердих плівках квантових точок
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe70.4.251Ключові слова:
Стоксiв зсув, квантова точка, енергiя збудження, екситон, ZnSeАнотація
В роботi наведено результати дослiджень колоїдних розчинiв надмалих квантових точок (КТ) ZnSe та їх щiльних плiвок, якi є матерiальною основою оптоелектронних приладiв. Порiвняння результатiв розчинiв та плiвок дозволяє краще зрозумiти трансформацiю їх оптичних характеристик при переходi вiд системи невзаємодiючих частинок у розчинi до системи з сильною екситонною взаємодiєю мiж КТ. Делокалiзацiя екситонiв та гiбридизацiя їх хвильових функцiй створюють у плiвках новий набiр енергетичних станiв КТ, якi визначають їх оптичнi та транспортнi характеристики. Ми виявили значний червоний зсув мiж спектрами поглинання розчину та плiвки, природа якого зумовлена сильною взаємодiєю мiж КТ. Дослiдженi динамiчнi характеристики показали, що час переносу енергiї збудження екситонiв у плiвках КТ ZnSe iз сильною взаємодiєю може бути субнаносекундним (∼610 пс) i переважати час внутрiшньої релаксацiї екситонiв у внутрiшньощiлиннi, по-верхневi та дефектнi стани носiїв заряду.
Посилання
1. J. Lihong, S.V. Kershaw, L. Yilin, H. Xiaodan, L. Yingying, A.L. Rogach, G. Mingyuan. Aqueous based semiconductor nanocrystals. Chem. Rev. 116, 10623 (2016).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00041
2. C.L. Bassani et al. Nanocrystal assemblies: current advances and open problems. ACS Nano 18, 14791 (2024).
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10201
3. N. Hildebrandt et al. Energy transfer with semiconductor quantum dot bioconjugates: a versatile platform for biosensing, energy harvesting, and other developing applications. Chem. Rev. 117, 536 (2017).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00030
4. D. Perera, R. Lorek et al. Photocatalytic activity of core/shell semiconductor nanocrystals featuring spatial separation of charges. J. Phys. Chem. C 116, 22786 (2012).
https://doi.org/10.1021/jp308921s
5. T. Mirkovic, E.E. Ostroumov, J.M. Anna, R. van Grondelle, G.D. Scholes. Light absorption and energy transfer in the antenna complexes of photosynthetic organisms. Chem. Rev. 117, 249 (2017).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00002
6. G. Shi et al. The effect of water on colloidal quantum dot solar cells. Nat. Comm. 12, 4381 (2021).
7. L. Yun, K. Donghun, P.M. Owen, D. Zhitomirsky, J.C. Grossman. Origins of the stokes shift in PbS quantum dots: impact of polydispersity, ligands, and defects. ACS Nano 12, 2838 (2018).
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b00132
8. Hua Li et al. Elucidating the mechanisms of the large stokes shift in isolated and coupled PbS quantum dots. J. Phys. Chem. C 128, 8732 (2024).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c02008
9. M.V. Bondar, M.S. Brodyn, Y.P. Pyryatynskyi, N.A. Matveevska. Stationary spectroscopy and sub-nanosecond resonant energy transfer of exciton excitation of aqueous solutions and films of ZnSe nanocrystals. Ukr. J. Phys. 67, 544 (2022).
10. O. Voznyy et al. Origins of Stokes shift in PbS nanocrystals. Nano Lett. 17, 7191 (2017).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01843
11. M. C. Brennan, J.E. Herr, T.S. Nguyen-Beck, J. Zinna, S. Draguta, S. Rouvimov, J. Parkhill, M. Kuno. Origin of the size-dependent Stokes shift in CsPbBr3 perovskite nanocrystals J. Am. Chem. Soc. 139, 12201 (2017).
https://doi.org/10.1021/jacs.7b05683
12. Th.A. Klar, Th. Franzl, A.L. Rogach, J. Feldmann. Superefficient exciton funneling in layer-by-layer semiconductor nanocrystal structures. Adv. Mater. 17, 769 (2005).
https://doi.org/10.1002/adma.200401675
13. N.V. Bondar, M.S. Brodyn, N.A. Matveevskaya, T.G. Beynik. Efficient and sub-nanosecond resonance energy transfer in close-packed films of ZnSe quantum dots by steady-state and time-resolved spectroscopy. Superlatt. Microstruct. 130, 106382 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2019.106382
14. N.V. Bondar, Yu.P. Pyryatynsky. Arrays of size-dispersed ZnSe quantum dots as artificial antennas: role of quasicoherent regime and in-gap states of excitons for enhanced light harvesting and energy transfer. Curr. Appl. Phys. 48, 114 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.cap.2023.01.007
15. J. Giblin, M. Kuno. Nanostructure absorption: a comparative study of nanowire and colloidal quantum dot absorption cross sections. J. Phys. Chem. Lett. 1, 3340 (2010).
https://doi.org/10.1021/jz1013104
16. Qiuyang Li, Kaifeng Wu, Haiming Zhu, Ye Yang, Sheng He, Tianquan Lian. Charge transfer from quantum-confined 0d, 1d, and 2d nanocrystals. Chem. Rev. 124, 5695 (2024).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00742
17. N.C. Anderson, M.P. Hendricks, J.J. Choi, J.S. Owen. Ligand exchange and the stoichiometry of metal chalcogenide nanocrystals: spectroscopic observation of facile metalcarboxylate displacement and binding. J. Am. Chem. Soc. 135, 18536 (2013).
https://doi.org/10.1021/ja4086758
18. S.F. Wuister, C. de Mello Donega, A. Meijerink. Influence of thiol capping on the exciton luminescence and decay kinetics of CdTe and CdSe quantum dots. J. Phys. Chem. B. 108, 17393 (2004).
https://doi.org/10.1021/jp047078c
19. J. Eilers, J. van Hest, A. Meijerink, C. de Mello Donega. Unravelling the size and temperature dependence of exciton lifetimes in colloidal ZnSe quantum dots. J. Phys. Chem. C. 118, 23313 (2014).
https://doi.org/10.1021/jp5038238
20. D.H. Nguyen, Sung Hun Kim, Joon Sue Lee, Dong Su Lee, Hong Seok Lee. Reaction-dependent optical behavior and theoretical perspectives of colloidal ZnSe quantum Dots. Sci. Rep. 14, 13982 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41598-024-64995-5
21. R. Toufanian, Z. Xingjian, J.C. Kays, A.M. Saeboe, A.M. Dennis. Correlating ZnSe quantum dot absorption with particle size and concentration. Chem. Matt. 33, 7527 (2021).
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c02501
22. R. Yousefi, H.R. Azimi, M.R. Mahmoudian, W.J. Basirun. The effect of defect emissions on enhancement photocatalytic performance of ZnSe QDs and ZnSe/rGO nanocomposites. Appl. Surf. Sci. 435, 886 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.183
23. Desong Guo et al. Doping of Mn2+ into aqueous ZnSe nanocrystals with pure dopant emission through a lightinduced electrostatic attraction and diffusion method. J. Phys. Chem. C. 125, 989 (2021).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c09023
24. C.S. Ponseca, Jr., P. Chabera, J. Uhlig, P. Persson, V. Sundstr¨om. Ultrafast electron dynamics in solar energy conversion. Chem. Rev. 117, 10940 (2017).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00807
25. P.C. Sercel, Al.L. Efros, M. Rosen. Intrinsic gap states in semiconductor nanocrystals. Phys. Rev. Lett. 83, 2394 (1999).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.2394
26. Y. Zhang, D. Zherebetskyy, N.D. Bronstein, S. Barja, L. Lichtenstein, A.P. Alivisatos, Lin-Wang Wang, M. Salmeron. Molecular oxygen-induced in-gap states in PbS quantum dots. ACS Nano 9, 10445 (2015).
https://doi.org/10.1021/acsnano.5b04677
27. Zaiping Zeng et al. Size engineering of trap effects in oxidized and hydroxylated ZnSe quantum dots. Nano Lett. 22, 3604 (2022).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00118
28. Zaiping Zeng et al. Bulk-like ZnSe quantum dots enabling efficient ultranarrow blue light-emitting diodes. Nano Lett. 21, 7252 (2021).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02284
29. M. Abdellah, K.J. Karki, N. Lenngren et al. Ultra longlived radiative trap states in CdSe quantum dots. J. Phys. Chem. C 118, 21682 (2014).
https://doi.org/10.1021/jp506536h
30. T. Hanrath. Colloidal nanocrystal quantum dot assemblies as artificial solids. J. Vac. Sci. Technol. A 30, 030802 (2013).
https://doi.org/10.1116/1.4705402
31. R.D. Harris, S.B. Homan et al. Electronic processes within quantum dot-molecule complexes. Chem. Rev. 116, 12865 (2016).
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00102
32. W. Jaskolski, G.W. Brayany et al. Artificial molecules. Quant. Chem. 90, 1075 (2002).
https://doi.org/10.1002/qua.10331
33. N. Kholmicheva, P. Moroz, H. Eckard, G. Jensen, M. Zamkov. Energy transfer in quantum dot solids. ACS Energy Lett. 2, 154 (2017).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
