Синтез и люминесцентные свойства квантовых точек ядро/оболочка PbS/SiO2

  • Ирина Геннадьевна Гревцева ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1964-1233
  • Михаил Сергеевич Смирнов ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8765-0986
  • Кирилл Сергеевич Чирков ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-0387-0733
  • Анатолий Николаевич Латышев ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7271-0795
  • Олег Владимирович Овчинников ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6032-9295
Ключевые слова: квантовые точки сульфида свинца, структуры ядро/оболочка, оболочка SiO2, спектры люминесценции, спектры возбуждения

Аннотация

Исследование направлено на разработку приемов создания структур ядро/оболочка на основе коллоидных квантовых точек PbS (КТ PbS) и установление влияния диэлектрической оболочки SiO2 на люминесцентные свойства КТ PbS. Объектами исследования служили КТ PbS, пассивированные молекулами тиогликолевой кислоты (TGA), со средним размером 3.0±0.5 нм и полученные на их основе КТ PbS/SiO2, средний размер 6.0±0.5 нм. Показано, что при пассивации интерфейсов КТ PbS молекулами тиогликолевой кислоты наблюдаются два пика люминесценции при 1100 и при 1260 нм. Обнаружено, что повышение температуры коллоидной смеси до 60 °С способствует росту интенсивности длинноволнового пика. Анализ спектров возбуждения люминесценции обеих полос и стоксова
сдвига показал, что полоса при 1100 нм связана с излучательной аннигиляцией экситона, а при 1260 нм – рекомбинацией на уровнях дефектов. Формирование КТ PbS/SiO2 подавляет рекомбинационную люминесценцию, что указывает на локализацию центров свечения преимущественно на интерфейсах КТ. При этом экситонное свечение при 1100 нм увеличивается по интенсивности

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Ирина Геннадьевна Гревцева, ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский
государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Михаил Сергеевич Смирнов, ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, профессор кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Кирилл Сергеевич Чирков, ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Анатолий Николаевич Латышев, ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор-консультант кафедры оптики и спектроскопии, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Олег Владимирович Овчинников, ФГБОУ ВО Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, декан физического факультета, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Hafiz S. B., Scimeca M., Sahu A., Ko D.-K. Colloidal quantum dots for thermal infrared sensing and imaging. Nano Convergence. 2019;6(7). https://doi.org/10.1186/s40580-019-0178-1

Sergeev A. A., Pavlov D. V., Kuchmizhak A. A., … Rogach A. L. Tailoring spontaneous infrared emission of HgTe quantum dots with laser-printed plasmonic arrays. Light: Science and Applications. 2020;9(16). https://doi.org/10.1038/s41377-020-0247-6

Reineck P., Gibson B. C. Near-infrared fluorescent nanomaterials for bioimaging and sensing. Advanced Optical Materials. 2017;5: 1600446. https://doi.org/10.1002/adom.201600446

Gu Yi.-P., Cui R., Zhang Z.-L., Xie Z.-X., Pang D.‑W. Ultrasmall near-infrared Ag2Se quantum dots with tunable fluorescence for in vivo imaging. Journal of the American Chemical Society. 2012;134(1): 79–82. https://doi.org/10.1021/ja2089553

Xu S., Cui J., Wang L. Recent developments of low-toxicity NIR II quantum dots for sensing and bioimaging. rAC Trends in Analytical Chemistry. 2016;80: 149–155. https://doi.org/10.1016/j.trac.2015.07.017

Zaini M. S., Liew J. Y. Ch., Ahmad S. A. A., Mohmad A. R., Kamarudin M. A. Quantum confinement effect and photoenhancement of photoluminescence of PbS and PbS/MnS quantum dots. Applied Sciences. 2020;10(18): 6282. https://doi.org/10.3390/app10186282

Tan L., Wan A., Zhao T., Huang R., Li H. Aqueous synthesis of multidentate-polymer-capping Ag2Se quantum dots with bright photoluminescence tunable in a second near-infrared biological window. ACS Applied Materials and Interfaces. 2014;6(9): 6217–6222. https://doi.org/10.1021/am5015088

Keuleyan S., Lhuillier E., Guyot-Sionnest P. Synthesis of colloidal HgTe quantum dots for narrow Mid-IR emission and detection. Journal of the American Chemical Society. 2011;133(41): 16422–16424. https://doi.org/10.1021/ja2079509

Yu Y., Zhang K., Sun S. One-pot aqueous synthesis of near infrared emitting PbS quantum dots. Applied Surface Science. 2012;258(18): 7181–7187. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.04.031

Qian H., Dong C., Peng J., Qiu X., Xu Y., Ren J. High-quality and water-soluble near-infrared photoluminescent CdHgTe/CdS quantum dots prepared by adjusting size and composition. The Journal of Physical Chemistry C. 2007;111(45): 16852–16857. https://doi.org/10.1021/jp074961c

Capoen B., Martucci A., Turrell S., Bouazaoui M. Effects of the sol-gel solution host on the chemical and optical properties of PbS quantum dots. Journal of Molecular Structure. 2003;651-653: 467–473. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(02)00667-1

Yin Q., Zhang W., Zhou Y., Wang R., Zhao Z., Liu C. High efficiency luminescence from PbS quantum dots embedded glasses for near-infrared light emitting diodes. Journal of Luminescence. 2022;250: 119065. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119065

Srivastava R .R., Mishra H., Singh V. K., Vikram K., Srivastava R. K., Srivastava S. K., Srivastava A. pH dependent luminescence switching of tin disulfide quantum dots. Journal of Luminescence. 2019;213: 401–408. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2019.05.024

Zvyagin A. I., Chevychelova T. A., Chirkov K. S., Smirnov M. S., Ovchinnikov O. V. Size dependence of nonlinear optical properties of PbS QDs, passivated with thioglycolic acid. Optik. 2023;272: 170276. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.170276

Grevtseva I., Chevychelova T., Ovchinnikov O., … Chirkov K. Size effect features and mechanism of luminescence of colloidal PbS quantum dots, passivated with thioglicolic acid. Optical and Quantum Electronics. 2023;55(5): 433. https://doi.org/10.1007/s11082-023-04658-3

Grevtseva I. G., Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S. Chirkov K. S. Trap state and exciton luminescence of colloidal PbS quantum dots coated with thioglycolic acid molecules. Condensed Matter and Interphases. 25(2), 182–189. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11099

Grevtseva I. G., Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., … Vozgorkova. Photostability of luminescence of Ag2S quantum dots and Ag2S/SiO2 core/shell structure. Optics and Spectroscopy. 2022;130(12): 1634–1644. https://doi.org/10.21883/os.2022.12.54100.4106-22

Smirnov M. S., Ovchinnikov O. V., Grevtseva I. G., Zvyagin A. I ., Perepelitsa A. S ., Ganeev R. A . Photoinduced degradation of the optical properties of colloidal Ag2S and CdS quantum dots passivated by thioglycolic acid. Optics and Spectroscopy. 2018;124(5): 681–686. https://doi.org/10.1134/S0030400X18050211

Ovchinnikov O. V., Grevtseva I. G., Smirnov M. S., … Matsukovich A. S. Effect of thioglycolic acid molecules on luminescence properties of Ag2S quantum dots. Optical and Quantum Electronics. 2020;52(4): 198. https://doi.org/10.1007/s11082-020-02314-8

Ovchinnikov O. V., Grevtseva I. G., Smirnov M. S., Kondratenko T. S. Reverse photodegradation of infrared luminescence of colloidal Ag2S quantum dots. Journal of Luminescence. 2019;207: 626–632. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2018.12.019

Kondratenko T., Ovchinnikov O., Grevtseva I., … Tatianina E. Thioglycolic acid FTIR spectra on Ag2S quantum dots interfaces. Materials. 2020;13(4): 909. https://doi.org/10.3390/ma13040909

Kloepfer J. A., Bradforth S. E., Nadeau J. L. Photophysical properties of biologically compatible CdSe quantum dot structures. The Journal of Physical Chemistry B. 2005;109(20): 9996–10003. https://doi.org/10.1021/jp044581g

Krivenkov V. A., Samokhvalov P. S., Linkov P. A., … Nabiev I. Surface ligands affect photoinduced modulation of the quantum dots optical performance. SPIE Proceedings. 2014;9126: 91263. https://doi.org/10.1117/12.2057828

Hwang G. W., Kim D., Cordero J. M., … Bawendi M. G. Identifying and eliminating emissive sub-bandgap states in thin films of PbS nanocrystals. Advanced Materials. 2015;27: 4481–4486. https://doi.org/10.1002/adma.201501156

Nelson C. A., Zhu X.-Y. Reversible surface electronic traps in PbS quantum dot solids induced by an order disorder phase transition in capping molecules. Journal of the American Chemical Society. 2012;134(18): 7592–7595. https://doi.org/10.1021/ja3004649

Scanlon W. W. Recent advances in the optical and electronic properties of PbS, PbSe, PbTe and their alloys. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1959;8: 423–428. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90379-8

Wang D., Qian J., Cai F., He S., Han S., Mu Y. ‘Green’-synthesized near-infrared PbS quantum dots with silica–PEG dual-layer coating: ultrastable and biocompatible optical probes for in vivo animal imaging. Nanotechnology. 2012;23: 245701. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/24/245701

Zhang J., Jiang X. Confinement-dependent below-gap state in PbS quantum dot films probed by continuous-wave photoinduced absorption. The Journal of Physical Chemistry B. 2008;112:32: 9557– 9560. https://doi.org/10.1021/jp8047295

Ushakova E. V., Litvin A. P., Parfenov P. S., … Baranov A. V. Anomalous size-dependent decay of low-energy luminescence from PbS quantum dots in colloidal solution. ACS Nano. 2012;6(10): 8913–8921. https://doi.org/10.1021/nn3029106

Voznyy O., Levina L., Fan F., … Sargent E. H. Origins of Stokes shift in PbS nanocrystals. Nano Letters. 2017;17(12): 7191–7195. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01843

Lewis J. E., Jiang X. J. Unconventional gap state of trapped exciton in lead sulfide quantum dots. Nanotechnology. 2010;21: 455402. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/45/455402

Gaponenko M. S., Tolstik N. A., Lutich A. A., Onushchenko A. A., Yumashev K. V. Temperaturedependent photoluminescence Stokes shift in PbS quantum dots. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2013;53: 63–65. https://doi.org/10.1016/j.physe.2013.04.018

Nakashima S., Hoshino A., Cai J., Mukai K. Thiol-stabilized PbS quantum dots with stable luminescence in the infrared spectral range. Journal of Crystal Growth. 2013;378: 542–545. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2012.11.024

Moreels I. Lambert K., Smeets D., … Hens Z. Size-dependent optical properties of colloidal PbS quantum dots. ACS Nano. 2009;3(10): 3023–3030. https://doi.org/10.1021/nn900863a

Giansante C., Infante I. Surface traps in colloidal quantum dots: A combined experimental and theoretical erspective. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2017;8(20): 5209–5215 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.7b02193

Ovchinnikov O. V. , Perepelitsa A. S. , Smirnov M. S., Aslanov S. V. Control the shallow trap states concentration during the formation of luminescent Ag2S and Ag2S/SiO2 core/shell quantum dots. Journal of Luminescence. 2022;243: 118616. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118616

Vasudevan D., Gaddam R. R., Trinchi A., Cole I. Core–shell quantum dots: Properties and applications. Journal of Alloys and Compounds. 2015;636(5): 395–404. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.02.102

Perepelitsa A. S. , Ovchinnikov O. V. , Smirnov M. S., … Khokhlov V. Y. Structural and optical properties of Ag2S/SiO2 core/shell quantum dots. Journal of Luminescence. 2021;231: 117805. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117805

Mukai K., Okumura I., Nishizaki Y., Yamashita S., Niwa K. Silica coating of PbS quantum dots and their position control using a nanohole on Si substrate. Japanese Journal of Applied Physics. 2018;57: 04FH01. https://doi.org/10.7567/JJAP.57.04FH01

Capoen B., Martucci A., Turrell S., Bouazaoui M. Effects of the sol-gel solution host on the chemical and optical properties of PbS quantum dots. Journal of Molecular Structure. 2023;651-653: 467–473. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(02)00667-1

Dhlamini M. S., Terblans J. J., Ntwaeaborwa O. M., Joubert H. D., Swart H. C. Preparations and luminescent properties of PbS nanoparticle phosphors incorporated in a SiO2 matrix. Physica Status Solidi C. 2008;5(2): 598–601. https://doi.org/10.1002/pssc.200776808

Kedenburg S., Vieweg M., Gissibl T., Giessen H. Linear refractive index and absorption measurements of nonlinear optical liquids in the visible and nearinfrared spectral region. Optical Materials Express. 2012;2(11): 1588–1611. https://doi.org/10.1364/ome.2.001588

van Leeuwen F. W .B., Cornelissen B., Caobelli F., … de Jong M. Generation of fluorescently labeled tracers – which features influence the translational potential? EJNMMI Radiopharmacy and Chemistry. 2017;2(15). https://doi.org/10.1186/s41181-017-0034-8

Kozma I. Z., Krok P., Riedle E. Direct measurement of the group-velocity mismatch and derivation of the refractive-index dispersion for a variety of solvents in the ultraviolet. Journal of the Optical Society of America B. 2005;22(7): 1479–1485. https://doi.org/10.1364/JOSAB.22.001479

Sadovnikov S. I., Kozhevnikova N. S., Rempel A. A., Pushin V. G. Microstructure of nanocrystalline PbS powders and films. Inorganic Materials. 2012;48(1): 21–27. https://doi.org/10.1134/S002016851201013X

Music S., Filipovic-Vincekovic N., Sekovanic L. Precipitation of amorphous SiO2 particles and their properties. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2011;28(1): 89–94. https://doi.org/10.1590/S0104-6322011000100011

Zhong Q., Cao M., Hu H., … Zhang Q., One-pot synthesis of highly stable CsPbBr3@SiO2 core–shell nanoparticles. ACS Nano. 2018;12(8): 8579–8587. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b04209

Li B., Fan H., Zhao Q., Wang C. Synthesis, characterization and cytotoxicity of novel multifunctional Fe3O4@SiO2@GdVO4:Dy3+ core-shell nanocomposite as a drug carrier. Materials. 2016;9(3): 149. https://doi.org/10.3390/ma9030149

Gilmore R. H., Liu Y., Shcherbakov-Wu W., … Tisdale W. A. Epitaxial dimers and auger-assisted detrapping in PbS quantum dot solids. Matter. 2019;1(1): 250–265. https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.015

Sadovnikov S. I., Rempel A. A. Nonstoichiometric distribution of sulfur atoms in lead sulfide structure. Doklady Physical Chemistry. 2009;428(1): 167–171. https://doi.org/10.1134/S0012501609090024

Ovchinnikov O. V., Smirnov M. S., Korolev N. V., Golovinski P. A., Vitukhnovsky A. G. The size dependence recombination luminescence of hydrophilic colloidal CdS quantum dots in gelatin. Journal of Luminescence. 2016;179: 413–419. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.07.016

Wang Y., Suna A., Mahler W., Kasowski R. PbS in polymers. From molecules to bulk solids. The Journal of Chemical Physics. 1987;87: 7315–7322. https://doi.org/10.1063/1.453325

Опубликован
2024-01-31
Как цитировать
Гревцева, И. Г., Смирнов, М. С., Чирков, К. С., Латышев, А. Н., & Овчинников, О. В. (2024). Синтез и люминесцентные свойства квантовых точек ядро/оболочка PbS/SiO2. Конденсированные среды и межфазные границы, 26(1), 45-54. https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11808
Раздел
Оригинальные статьи