zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences10.47612/0514-7506-2023-90-2-191-201zhps-1264Research ArticleМОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯMOLECULAR SPECTROSCOPYНаноансамбли на основе полупроводниковых квантовых точек и молекул порфиринов: структура, экситон-фононные взаимодействия и релаксационные процессыNanoassemblies Based on Semiconductor Quantum Dots and Porphyrin Molecules: Structure, Exciton-Phonon Interactions, and Relaxation ProcessesЗенькевичЭ. И.ZenkevichE. I.

Минск

Minsk,

zenkev@tut.byГапоненкоС. В.GaponenkoS. V.

Минск

Minsk

фон БорцисковскиК.Von BorczyskowskiC.

Хемнитц

Chemnitz

Белорусский национальный технический университетBelarussian National Technical UniversityИнститут физики НАН БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут физики Технического университета ХемнитцаInstitute of Physics at University of Technology Chemnitz202323032023902191201Copyright © Зенькевич Э.И., Гапоненко С.В., фон Борцисковски К., 20232023Зенькевич Э.И., Гапоненко С.В., фон Борцисковски К.Zenkevich E.I., Gaponenko S.V., von Borczyskowski C.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1264

На основе современных моделей экситон-фононных взаимодействий выполнен анализ экспериментальных температурных зависимостей (77—293 К) спектров поглощения и фотолюминесценции полупроводниковых квантовых точек CdSe/ZnS (КТ). Обосновано, что формирование полосы поглощения первого экситонного перехода происходит с участием преимущественно оптических фононов ядра CdSe, тогда как свойства фотолюминесценции отражают взаимодействие с оптическими фононами слоя ZnS. В рамках квантово-механической модели проведен анализ тушения фотолюминесценции КТ CdSe/ZnS различных диаметров при формировании наноансамблей с молекулами порфиринов. Показано, что вероятность тушения убывает с возрастанием диаметра КТ, а сам процесс тушения в условиях квантового ограничения обусловлен туннелированием электрона возбужденной электронно-дырочной пары на поверхность КТ с последующей локализацией на поверхностных ловушках.

Based on modern models of the exciton-phonon coupling, the analysis of experimental temperature dependences (77–293 K) of absorption and photoluminescence spectra for semiconductor quantum dots (QD) CdSe/ZnS was carried out. It was proven that the formation of the first excitonic transition absorption band takes place with participation of optical phonons of the CdSe core presumably, while photoluminescence properties reflect the interaction with optical phonons of ZnS layer. In the frame of the quantum-mechanical model the photoluminescence quenching for CdSe/ZnS QDs of various sizes was analysed upon formation of nanoassemblies with porphyrin molecules. It was shown that the quenching rate constant decreases with the rise of QD size, and in conditions of quantum confinement the quenching process is due to the electron of excited electron-hole pair tunnelling to the QD surface with the subsequent localization on surface traps.

полупроводниковые квантовые точки CdSe/ZnSпорфиринтемпературные зависимости поглощения и фотолюминесценцииэкситон-фононное взаимодействиефазовая перестройка стабилизирующего слоя лигандатушение фотолюминесценцииперенос энергиитуннелирование электронаsemiconductor quantum dots CdSe/ZnSporphyrintemperature dependences of absorption and photoluminescence spectraexciton-phonon couplingphase transition of stabilizing ligand layerphotoluminescence quenchingenergy transferelectron tunnelingРабота выполнена при финансовой поддержке ГПНИ “Фотоника и электроника для инноваций 2021—2025 гг.” (Беларусь), гранта Президента Республики Беларусь в науке на 2020 г. и Visiting Scholar Program (Технический университет г. Хемнитца, Германия, 2020—2021 гг.).ReferencesH. Zhong, M. Wang, M. Ghorbani-Asl, J. Zhang, K. H. Ly, Z. Liao, G. Chen, Y. Wei, B. P. Biswal, E. Zschech, I. M. Weidinger, A. V. Krasheninnikov, R. Dong, X. Feng. J. Am. Chem. Soc., 143 (2021) 19992—20000H. Zhong, M. Wang, M. Ghorbani-Asl, J. Zhang, K. H. Ly, Z. Liao, G. Chen, Y. Wei, B. P. Biswal, E. Zschech, I. M. Weidinger, A. V. Krasheninnikov, R. Dong, X. Feng. J. Am. Chem. Soc., 143 (2021) 19992—20000K. Ohta. Physics and Chemistry of Molecular Assemblies, Singapore, World Scientific (2020)K. Ohta. Physics and Chemistry of Molecular Assemblies, Singapore, World Scientific (2020)M. F. Bertino. Introduction to Nanotechnology, Singapore, World Scientific (2021)M. F. Bertino. Introduction to Nanotechnology, Singapore, World Scientific (2021)E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. Self-Assembled Organic-Inorganic Nanostructures: Optics and Dynamics. Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2016)E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. Self-Assembled Organic-Inorganic Nanostructures: Optics and Dynamics. Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2016)K. Pal. Hybrid Nanocomposites: Fundamentals, Synthesis, and Applications, USA, Jenny Stanford Publishing (2019)K. Pal. Hybrid Nanocomposites: Fundamentals, Synthesis, and Applications, USA, Jenny Stanford Publishing (2019)E. I. Zenkevich, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski, D. R. T. Zahn. Macroheterocycles, 13, N 4 (2020) 351—358E. I. Zenkevich, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski, D. R. T. Zahn. Macroheterocycles, 13, N 4 (2020) 351—358J.-M. Lehn. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 29 (1990) 1304—1319J.-M. Lehn. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 29 (1990) 1304—1319G. M. Whitesides, B. Grzybowski. Science, 295 (2002) 2418—2421G. M. Whitesides, B. Grzybowski. Science, 295 (2002) 2418—2421V. I. Klimov. In: Semiconductor and Metal Nanocrystals: Synthesis and Electronic and Optical Properties, сh. 5, New York, Marcel Dekker (2003) 159—214V. I. Klimov. In: Semiconductor and Metal Nanocrystals: Synthesis and Electronic and Optical Properties, сh. 5, New York, Marcel Dekker (2003) 159—214O. P. Dimitriev. Chem. Rev., 122, N 9 (2022) 8487—8593O. P. Dimitriev. Chem. Rev., 122, N 9 (2022) 8487—8593А. Issac, S. Jin, T. Lian. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008) 11280—11281А. Issac, S. Jin, T. Lian. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008) 11280—11281E. K. Raulerson, D. M. Cadena, M. A. Jabed, C. D. Wight, I. Lee, H. R. Wagner, J. T. Brewster, B. L. Iverson, S. Kilina, S. T. Padgaonkar. J. Phys. Chem. Lett., 13 (2022) 1416—1423E. K. Raulerson, D. M. Cadena, M. A. Jabed, C. D. Wight, I. Lee, H. R. Wagner, J. T. Brewster, B. L. Iverson, S. Kilina, S. T. Padgaonkar. J. Phys. Chem. Lett., 13 (2022) 1416—1423R. Clapp, I. L Medintz., J. M. Mauro, B. R. Fisher, M. G. Bawendi, H. Mattoussi. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 301—310R. Clapp, I. L Medintz., J. M. Mauro, B. R. Fisher, M. G. Bawendi, H. Mattoussi. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 301—310E. Zenkevich, F. Cichos, A. Shulga, E. Petrov, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. B, 109 (2005) 8679—8692E. Zenkevich, F. Cichos, A. Shulga, E. Petrov, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. B, 109 (2005) 8679—8692S. Padgaonkar, P. T. Brown, Y. Jeong, C. Cherqui, K. N. Avanaki, R. López-Arteaga, S. IrgenGioro, Y. Wu, V. K. Sangwan, G. C. Schatz, M. C. Hersam, E. A. Weiss. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 15458—15464S. Padgaonkar, P. T. Brown, Y. Jeong, C. Cherqui, K. N. Avanaki, R. López-Arteaga, S. IrgenGioro, Y. Wu, V. K. Sangwan, G. C. Schatz, M. C. Hersam, E. A. Weiss. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 15458—15464T. Blaudeck, E. Zenkevich, F. Cichos, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. C, 112 (2008) 20251—20257T. Blaudeck, E. Zenkevich, F. Cichos, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. C, 112 (2008) 20251—20257Э. И. Зенькевич, А. П. Ступак, Д. Коверко, К. фон Борцисковски. Журн. экспер. и теор. xимии, 48, № 1 (2012) 18—28Э. И. Зенькевич, А. П. Ступак, Д. Коверко, К. фон Борцисковски. Журн. экспер. и теор. xимии, 48, № 1 (2012) 18—28C. M. Perez, D. Ghosh, O. Prezhdo, S. Tretiak, A. J. Neukirch. J. Phys. Chem. Lett., 12 (2021) 1005—1011C. M. Perez, D. Ghosh, O. Prezhdo, S. Tretiak, A. J. Neukirch. J. Phys. Chem. Lett., 12 (2021) 1005—1011Б. И. Степанов. Люминесценция сложных молекул, Минск, АН БССР (1955)Б. И. Степанов. Люминесценция сложных молекул, Минск, АН БССР (1955)Б. И. Степанов, В. П. Грибковский. Введение в теорию люминесценции, Минск, АН БССР (1963); London, Ilisse Books (1968, 1970)Б. И. Степанов, В. П. Грибковский. Введение в теорию люминесценции, Минск, АН БССР (1963); London, Ilisse Books (1968, 1970)В. П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках, Минск, Наука и техника (1975)В. П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках, Минск, Наука и техника (1975)В. П. Грибковский. Полупроводниковые лазеры, Минск, изд-во Университетское (1988)В. П. Грибковский. Полупроводниковые лазеры, Минск, изд-во Университетское (1988)В. П. Грибковский, Б. И. Степанов. Докл. АН СССР, 183, № 1 (1968) 67—70В. П. Грибковский, Б. И. Степанов. Докл. АН СССР, 183, № 1 (1968) 67—70С. В. Гапоненко. ФТП, 30 (1996) 577—619С. В. Гапоненко. ФТП, 30 (1996) 577—619S. V. Gaponenko. Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, Cambridge University Press (1998)S. V. Gaponenko. Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, Cambridge University Press (1998)S. V. Gaponenko, H. Kalt, U. Woggon. Semiconductor Quantum Structures. Optical Properties, 34, Pt 2, Springer (2004), doi: 10.1007/b98078S. V. Gaponenko, H. Kalt, U. Woggon. Semiconductor Quantum Structures. Optical Properties, 34, Pt 2, Springer (2004), doi: 10.1007/b98078S. V. Gaponenko. Introduction to Nanophotonics, Cambridge University Press (2010), doi: 10.1017/CBO9780511750502S. V. Gaponenko. Introduction to Nanophotonics, Cambridge University Press (2010), doi: 10.1017/CBO9780511750502S. V. Gaponenko. In: Nano-Optics: Principles Enabling Basic Research and Applications, Dordrecht, Springer (2017) 173—189S. V. Gaponenko. In: Nano-Optics: Principles Enabling Basic Research and Applications, Dordrecht, Springer (2017) 173—189S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Applied Nanophotonics, Cambridge University Press (2018)S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Applied Nanophotonics, Cambridge University Press (2018)Э. И. Зенькевич, А. М. Шульга, С. М. Бачило, У. Ремпель, А. Виллерт, К. фон Борцисковски. В кн. “Фотобиология и мембранная биофизика”, под ред. И. Д. Волотовского, Минск, Технопринт (1999) 221—243Э. И. Зенькевич, А. М. Шульга, С. М. Бачило, У. Ремпель, А. Виллерт, К. фон Борцисковски. В кн. “Фотобиология и мембранная биофизика”, под ред. И. Д. Волотовского, Минск, Технопринт (1999) 221—243E. Petrov, C. von Borczyskowski, E. Zenkevich, A. Shulga, F. Cichos, S. Gaponenko, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller. Book of Abstr. of Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Spring Meeting of the Division of Condensed Matter Physics, 24.03 — 28.03.2003, Dresden (2003) CPP 13.4E. Petrov, C. von Borczyskowski, E. Zenkevich, A. Shulga, F. Cichos, S. Gaponenko, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller. Book of Abstr. of Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Spring Meeting of the Division of Condensed Matter Physics, 24.03 — 28.03.2003, Dresden (2003) CPP 13.4F. Cichos, C. von Borczyskowski, E. Petrov, E. Zenkevich, A. Shulga, S. Gaponenko, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller. Book of Abstr. of Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Spring Meeting of the Division of Condensed Matter Physics, 24.03—28.03.2003, Dresden (2003) CPP 22.29F. Cichos, C. von Borczyskowski, E. Petrov, E. Zenkevich, A. Shulga, S. Gaponenko, A. Rogach, D. Talapin, H. Weller. Book of Abstr. of Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Spring Meeting of the Division of Condensed Matter Physics, 24.03—28.03.2003, Dresden (2003) CPP 22.29E. I. Zenkevich, S. V. Gaponenko, E. I. Sagun, C. von Borczyskowski. In: Reviews in Nanoscience and Nanotechnology, Eds. W. Chen, Y. Zhao, P. Juzenas, USA, Am. Sci. Publ., 2, N 3 (2013) 184—207E. I. Zenkevich, S. V. Gaponenko, E. I. Sagun, C. von Borczyskowski. In: Reviews in Nanoscience and Nanotechnology, Eds. W. Chen, Y. Zhao, P. Juzenas, USA, Am. Sci. Publ., 2, N 3 (2013) 184—207E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications, Ed. D. Kim, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., Ch. 5 (2012) 217—288E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications, Ed. D. Kim, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., Ch. 5 (2012) 217—288E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Handbook of Porphyrin Science with Application to Chemistry, Physics, Materials Science, Engineering, Biology and Medicine, vol. 22. Biophysical and Physicochemical Studies of Tetrapyrroles, Eds. K. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, Singapore, World Scientific Publishing Co. Pt. Ltd., Ch. 104 (2012) 68—159E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Handbook of Porphyrin Science with Application to Chemistry, Physics, Materials Science, Engineering, Biology and Medicine, vol. 22. Biophysical and Physicochemical Studies of Tetrapyrroles, Eds. K. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, Singapore, World Scientific Publishing Co. Pt. Ltd., Ch. 104 (2012) 68—159C. von Borczyskowski, E. Zenkevich. In: Quantum Dot Molecules, Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology 14, Springer Series in Materials Science, Eds. J. Wu, Z. M. Wang, New York, Springer Science+Business Media, 14 (2014) 77—148C. von Borczyskowski, E. Zenkevich. In: Quantum Dot Molecules, Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology 14, Springer Series in Materials Science, Eds. J. Wu, Z. M. Wang, New York, Springer Science+Business Media, 14 (2014) 77—148E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Photoinduced Processes at Surfaces and in Nanomaterials, ACS Symposium Series, Ed. D. Kilin, Washington, Am. Chem. Soc., 1196, Ch. 12 (2015) 235—272E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Photoinduced Processes at Surfaces and in Nanomaterials, ACS Symposium Series, Ed. D. Kilin, Washington, Am. Chem. Soc., 1196, Ch. 12 (2015) 235—272C. Borczyskowski, E. Zenkevich. Tuning Semiconducting and Metallic Quantum Dots: Spectroscopy and Dynamics, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2017)C. Borczyskowski, E. Zenkevich. Tuning Semiconducting and Metallic Quantum Dots: Spectroscopy and Dynamics, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2017)D. S. Kilin, K. Tsemekhman, O. V. Prezhdo, E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. J. Photochem. and Photobiol. A: Chem., 190 (2007) 342—354D. S. Kilin, K. Tsemekhman, O. V. Prezhdo, E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. J. Photochem. and Photobiol. A: Chem., 190 (2007) 342—354C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. Phys. Rev. B, 74 (2006) 085320C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. Phys. Rev. B, 74 (2006) 085320V. I. Klimov. Annu. Rev. Phys. Chem., 58 (2007) 635—673V. I. Klimov. Annu. Rev. Phys. Chem., 58 (2007) 635—673S. F. Wuister, C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 10397—10402S. F. Wuister, C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 10397—10402D. M. Sagar, R. R. Cooney, S. L. Sewall, E. A. Dias, M. M.Barsan, J. S. Butler, P. Kambhampati. Phys. Rev. B, 77 (2008) 235321D. M. Sagar, R. R. Cooney, S. L. Sewall, E. A. Dias, M. M.Barsan, J. S. Butler, P. Kambhampati. Phys. Rev. B, 77 (2008) 235321T. J. Liptay, L. F. Marshall, P. S. Rao, R. J. Ram, M. G. Bawendi. Phys. Rev. B, 76 (2007) 155314T. J. Liptay, L. F. Marshall, P. S. Rao, R. J. Ram, M. G. Bawendi. Phys. Rev. B, 76 (2007) 155314Y. P. Varshni. Physica, 34 (1967) 149—154Y. P. Varshni. Physica, 34 (1967) 149—154G. D. Cody. In: Hydrogenated Amorphous Silicon, Semiconductors and Semimetals, Ed. J. I. Pankove, 21, New York, Academic (1984) 11—79G. D. Cody. In: Hydrogenated Amorphous Silicon, Semiconductors and Semimetals, Ed. J. I. Pankove, 21, New York, Academic (1984) 11—79D. Valerini, A. Creti, M. Lomascolo, L. Manna, R. Cingolani, M. Anni. Phys. Rev. B, 71 (2005) 235409D. Valerini, A. Creti, M. Lomascolo, L. Manna, R. Cingolani, M. Anni. Phys. Rev. B, 71 (2005) 235409J. Lee, E. S. Koteles, M. O. Vassell. Phys. Rev. B, 33 (1986) 5512J. Lee, E. S. Koteles, M. O. Vassell. Phys. Rev. B, 33 (1986) 5512E. I. Zenkevich, A. Stupak, C. Goehler, C. Krasselt, C. von Borczyskowski. ACS Nano, 9 (2015) 2886—2907E. I. Zenkevich, A. Stupak, C. Goehler, C. Krasselt, C. von Borczyskowski. ACS Nano, 9 (2015) 2886—2907Э. И. Зенькевич, К. фон Борцисковски. Изв. РАН. Сер. хим., № 7 (2018) 1220—1230Э. И. Зенькевич, К. фон Борцисковски. Изв. РАН. Сер. хим., № 7 (2018) 1220—1230B. Valeur. Molecular Fluorescence. Principles and Applications, Weinheim, Wiley-VCH (2002)B. Valeur. Molecular Fluorescence. Principles and Applications, Weinheim, Wiley-VCH (2002)H. Sun, P. Cavanaugh, I. Jen-La Plante, M. J. Bautista, R. Ma, D. F. Kelley. J. Phys. Chem. C, 126 (2022) 20065—20073H. Sun, P. Cavanaugh, I. Jen-La Plante, M. J. Bautista, R. Ma, D. F. Kelley. J. Phys. Chem. C, 126 (2022) 20065—20073Э. И. Зенькевич, Е. И. Сагун, А. А. Яровой, А. М. Шульга, В. Н. Кнюкшто, А. П. Ступак, К. фон Борцисковски. Опт. и спектр., 103, № 6 (2007) 998—1009Э. И. Зенькевич, Е. И. Сагун, А. А. Яровой, А. М. Шульга, В. Н. Кнюкшто, А. П. Ступак, К. фон Борцисковски. Опт. и спектр., 103, № 6 (2007) 998—1009R. A. Marcus. Rev. Modern Phys., 65 (1993) 599—610R. A. Marcus. Rev. Modern Phys., 65 (1993) 599—610B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi. J. Phys. Chem. B, 101 (1997) 9463—9475B. O. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K. F. Jensen, M. G. Bawendi. J. Phys. Chem. B, 101 (1997) 9463—9475

The authors declare that there are no conflicts of interest present.