The impact of spatially heterogeneous chemical doping on the electronic properties of CdSe quantum dots: insights from ab initio computation
Source abstract
Abstract
The introduction of copper (Cu) impurity in semiconductor CdSe quantum dots (QDs) gives rise to unique photoluminescence (PL) bands exhibiting distinctive characteristics, like broad line width, significant Stokes shift, and complex temporal decay. The atomistic origins of these spectral features are yet to be understood comprehensively. We employed multiple computational techniques to systematically study the impact of the spatial heterogeneity of Cu atoms on the stability and photophysical properties, including the emission linewidth of doped QDs under ambient conditions. The Cu substitution introduces a spin-polarized intragap state, the energetic position of which is strongly dependent on the dopant location and causes spectral broadening in QD ensembles. Furthermore, the dopant dynamics under ambient conditions are significantly influenced by the specific arrangement of Cu within the QDs. The dynamic electronic structures of surface-doped CdSe illustrate more pronounced perturbations and vary the mid-gap state position more drastically than those of the core-doped QDs. Vibronic coupling broadens the photoluminescence peaks associated with the conduction band-to-defect level transition for individual QDs. These insights into the dynamic structure-photophysical property relationship suggest viable approaches, such as tuning the operational temperature and selective co-doping, to enhance the functional performances of doped CdSe QDs strategically.
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Research context
OpenAlex topics: Quantum Dots Synthesis And Properties · Chalcogenide Semiconductor Thin Films · ZnO doping and properties
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Affiliations
Department of Physics, Indian Institute of Technology, Delhi, Hauz Khas, New Delhi 110016, India
Department of Materials Science and Engineering, Indian Institute of Technology, Delhi, Hauz Khas, New Delhi 110016, India
Department of Chemistry, Indian Institute of Technology, Delhi, Hauz Khas, New Delhi 110016, India
Funding
Indian Institute of Technology Delhi · Sandia National Laboratories · Los Alamos National Laboratory · Science and Engineering Research Board
References (100+)
Show source-provided references
1. Jana · Chem. Commun. · 2010 · 46 · 285310.1039/b925980e ↗
2. Pu · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 93710.1038/s41467-020-14756-5 ↗
3. García de Arquer · Science · 2021 · 373 · eaaz854110.1126/science.aaz8541 ↗
4. Klimov · Nature · 2007 · 447 · 44110.1038/nature05839 ↗
5. Yen · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 446010.1038/s41467-021-24762-w ↗
6. Kramer · ACS Nano · 2011 · 5 · 850610.1021/nn203438u ↗
7. Talapin · Chem. Rev. · 2010 · 110 · 38910.1021/cr900137k ↗
8. Volnianska · J. Phys. Chem. C · 2021 · 125 · 1682710.1021/acs.jpcc.1c04826 ↗
9. Li · Nano Lett. · 2001 · 1 · 34910.1021/nl015559r ↗
10. Troparevsky · J. Chem. Phys. · 2003 · 119 · 228410.1063/1.1585013 ↗
11. Alperson · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys.10.1103/PhysRevB.63.081303 ↗
12. Kasuya · Nat. Mater. · 2004 · 3 · 9910.1038/nmat1056 ↗
13. Galle · Chem. Mater. · 2019 · 31 · 506510.1021/acs.chemmater.9b00812 ↗
14. Bera · Materials · 2010 · 3 · 226010.3390/ma3042260 ↗
15. Zhang · Chem. Eng. J. · 2022 · 428 · 13115910.1016/j.cej.2021.131159 ↗
16. Bhati · Nanoscale · 2023 · 15 · 717610.1039/D2NR06785D ↗
17. Almendral-Parra · J. Nanomater. · 2014 · 2014 · 510.1155/2014/397469 ↗
18. Bhati · J. Mater. Chem. A · 2021 · 10 · 521210.1039/D1TA07983B ↗
19. Boles · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 14110.1038/nmat4526 ↗
20. Hartley · J. Am. Chem. Soc. · 2021 · 143 · 125110.1021/jacs.0c10658 ↗
21. Fischer · Nanoscale · 2012 · 4 · 90410.1039/C2NR11398H ↗
22. Wu · Chem. Soc. Rev. · 2013 · 42 · 548910.1039/c3cs60017c ↗
23. Queisser · Science · 1998 · 281 · 94510.1126/science.281.5379.945 ↗
24. Rabeya · Int. J. Quantum Chem. · 2022 · 122 · e2690010.1002/qua.26900 ↗
25. Zhao · Nanomaterials · 2021 · 11 · 253110.3390/nano11102531 ↗
26. Deng · Phys. Rev. Lett. · 2016 · 11710.1103/PhysRevLett.117.165901 ↗
27. Viswanatha · Nano Lett. · 2011 · 11 · 475310.1021/nl202572c ↗
28. Zhao · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2019 · 21 · 1610810.1039/C9CP02433F ↗
29. Knowles · Chem. Rev. · 2016 · 116 · 1082010.1021/acs.chemrev.6b00048 ↗
30. Pradhan · Angew. Chem. · 2017 · 129 · 714410.1002/ange.201611526 ↗
31. Harchol · ACS Nano · 2022 · 16 · 1286610.1021/acsnano.2c05130 ↗
32. Yazici · Opt. Mater. · 2007 · 29 · 109110.1016/j.optmat.2006.04.010 ↗
33. Hughes · Nano Lett. · 2019 · 19 · 131810.1021/acs.nanolett.8b04905 ↗
34. Smirnov · J. Lumin. · 2019 · 213 · 2910.1016/j.jlumin.2019.05.001 ↗
35. Houtepen · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 75210.1021/acs.chemmater.6b04648 ↗
36. Kilina · ACS Nano · 2012 · 6 · 651510.1021/nn302371q ↗
37. Nelson · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 571410.1021/acs.jpcc.5b11319 ↗
38. Senellart · Nat. Nanotechnol. · 2017 · 12 · 102610.1038/nnano.2017.218 ↗
39. Daveau · Optica · 2017 · 4 · 17810.1364/OPTICA.4.000178 ↗
40. Nguyen · Electrochim. Acta · 2018 · 282 · 1610.1016/j.electacta.2018.06.046 ↗
41. Taylor · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 711310.1021/acs.chemmater.1c02556 ↗
42. Brovelli · Nano Lett. · 2012 · 12 · 437210.1021/nl302182u ↗
43. Erwin · Nature · 2005 · 436 · 9110.1038/nature03832 ↗
44. Zhang · J. Phys. Chem. Lett. · 2017 · 8 · 494310.1021/acs.jpclett.7b00351 ↗
45. Fuhr · J. Phys. Chem. C · 2019 · 123 · 570510.1021/acs.jpcc.8b12023 ↗
46. Khammang · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 43810.1038/s41467-020-20712-0 ↗
47. Beecher · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 1675410.1021/jacs.6b10705 ↗
48. Nelson · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 641110.1021/jacs.7b01924 ↗
49. Taylor · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 711310.1021/acs.chemmater.1c02556 ↗
50. Sayevich · Nat. Nanotechnol. · 2021 · 16 · 67310.1038/s41565-021-00871-x ↗
51. Makkar · RSC Adv. · 2018 · 8 · 2210310.1039/C8RA03530J ↗
52. Gul · ACS Nano · 2013 · 7 · 868010.1021/nn402932q ↗
53. Gumber · J. Mater. Chem. A · 2023 · 11 · 825610.1039/D3TA00149K ↗
54. Kudera · Adv. Mater. · 2007 · 19 · 54810.1002/adma.200601015 ↗
55. Harrell · Chem. Mater. · 2013 · 25 · 119910.1021/cm303318f ↗
56. Jawaid · ACS Nano · 2013 · 7 · 319010.1021/nn305697q ↗
57. Kilina · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 771710.1021/ja9005749 ↗
58. Yang · Chem. Mater. · 2016 · 28 · 737510.1021/acs.chemmater.6b02869 ↗
59. Zhang · Adv. Mater. · 2022 · 34 · 2022210796510.1002/adma.202107965 ↗
60. Erwin · Nature · 2005 · 436 · 9110.1038/nature03832 ↗
61. Dalpian · Phys. Rev. Lett. · 2006 · 9610.1103/PhysRevLett.96.226802 ↗
62. Owen · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 1093910.1021/jacs.7b05267 ↗
63. Car · Nanoscale · 2011 · 3 · 418210.1039/c1nr10556f ↗
64. Goldman · Appl. Phys. Lett. · 1983 · 43 · 83610.1063/1.94513 ↗
65. Dupraz · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 300310.1038/s41467-022-30592-1 ↗
66. Zhang · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 773410.1021/ja5030172 ↗
67. Albert · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 1579310.1021/jp202510z ↗
68. Harchol · ACS Nano · 2022 · 16 · 1286610.1021/acsnano.2c05130 ↗
69. Pandey · Nat. Nanotechnol. · 2012 · 7 · 79210.1038/nnano.2012.210 ↗
70. Zang · Nano Lett. · 2017 · 17 · 178710.1021/acs.nanolett.6b05118 ↗
71. Fuhr · ACS Photonics · 2017 · 4 · 242510.1021/acsphotonics.7b00560 ↗
72. Kara-Zaitri · Mater. Sci. Semicond. Process. · 2022 · 150 · 10693810.1016/j.mssp.2022.106938 ↗
73. Kuznetsov · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 709410.1021/jp4007747 ↗
74. Fenoll · ACS Omega · 2023 · 8 · 1146710.1021/acsomega.3c00324 ↗
75. Houtepen · Chem. Mater. · 2017 · 29 · 75210.1021/acs.chemmater.6b04648 ↗
76. Du Fossé · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 334910.1021/acs.chemmater.1c00561 ↗
77. Ghosh · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 784810.1021/acs.chemmater.1c02514 ↗
78. Ghosh · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 784810.1021/acs.chemmater.1c02514 ↗
79. Henkelman · J. Chem. Phys. · 2000 · 113 · 990110.1063/1.1329672 ↗
80. Brehm · J. Chem. Phys. · 2020 · 152 · 16410510.1063/5.0005078 ↗
81. Beecher · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 1675410.1021/jacs.6b10705 ↗
82. Beecher · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 1675410.1021/jacs.6b10705 ↗
83. Dmitruk · J. Phys. Chem. A · 2020 · 124 · 339810.1021/acs.jpca.0c00782 ↗
84. Shi · Phys. Rev. Lett. · 2019 · 12210.1103/PhysRevLett.122.026101 ↗
85. Lebedev · J. Phys. Chem. C · 2021 · 125 · 675810.1021/acs.jpcc.0c10529 ↗
86. Lin · ACS Nano · 2014 · 8 · 392810.1021/nn5008513 ↗
87. Beecher · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 1675410.1021/jacs.6b10705 ↗
88. Du Fossé · Chem. Mater. · 2021 · 33 · 334910.1021/acs.chemmater.1c00561 ↗
89. Dutta · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 1699210.1021/acs.jpcc.8b05422 ↗
90. Smirnov · J. Lumin. · 2019 · 213 · 2910.1016/j.jlumin.2019.05.001 ↗
91. Kilina · Acc. Chem. Res. · 2016 · 49 · 212710.1021/acs.accounts.6b00196 ↗
92. Kelley · J. Phys. Chem. Lett. · 2010 · 1 · 129610.1021/jz100123b ↗
93. Lin · ACS Nano · 2015 · 9 · 813110.1021/acsnano.5b02230 ↗
94. Akimov · J. Chem. Theory Comput. · 2013 · 9 · 495910.1021/ct400641n ↗
95. Zang · Nano Lett. · 2017 · 17 · 178710.1021/acs.nanolett.6b05118 ↗
96. Bussian · Nat. Mater. · 2009 · 8 · 3510.1038/nmat2342 ↗
97. Siy · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 36410.1039/C0CC02304C ↗
98. Morgan · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 1062710.1021/acs.jpcc.8b02776 ↗
99. Zhao · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2019 · 21 · 1610810.1039/C9CP02433F ↗
100. G.Kresse and J.Hafner , Ab. initio molecular dynamics for liquid metals , 1993 , vol. 47