Наноансамбли на основе полупроводниковых квантовых точек и молекул порфиринов: структура, экситон-фононные взаимодействия и релаксационные процессы

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.

1. H. 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—20000

2. K. Ohta. Physics and Chemistry of Molecular Assemblies, Singapore, World Scientific (2020)

3. M. F. Bertino. Introduction to Nanotechnology, Singapore, World Scientific (2021)

4. E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. Self-Assembled Organic-Inorganic Nanostructures: Optics and Dynamics. Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2016)

5. K. Pal. Hybrid Nanocomposites: Fundamentals, Synthesis, and Applications, USA, Jenny Stanford Publishing (2019)

6. E. I. Zenkevich, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski, D. R. T. Zahn. Macroheterocycles, 13, N 4 (2020) 351—358

7. J.-M. Lehn. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 29 (1990) 1304—1319

8. G. M. Whitesides, B. Grzybowski. Science, 295 (2002) 2418—2421

9. V. I. Klimov. In: Semiconductor and Metal Nanocrystals: Synthesis and Electronic and Optical Properties, сh. 5, New York, Marcel Dekker (2003) 159—214

10. O. P. Dimitriev. Chem. Rev., 122, N 9 (2022) 8487—8593

11. А. Issac, S. Jin, T. Lian. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008) 11280—11281

12. E. 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—1423

13. R. Clapp, I. L Medintz., J. M. Mauro, B. R. Fisher, M. G. Bawendi, H. Mattoussi. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 301—310

14. E. Zenkevich, F. Cichos, A. Shulga, E. Petrov, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. B, 109 (2005) 8679—8692

15. S. 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—15464

16. T. Blaudeck, E. Zenkevich, F. Cichos, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. C, 112 (2008) 20251—20257

17. Э. И. Зенькевич, А. П. Ступак, Д. Коверко, К. фон Борцисковски. Журн. экспер. и теор. xимии, 48, № 1 (2012) 18—28

18. C. M. Perez, D. Ghosh, O. Prezhdo, S. Tretiak, A. J. Neukirch. J. Phys. Chem. Lett., 12 (2021) 1005—1011

19. Б. И. Степанов. Люминесценция сложных молекул, Минск, АН БССР (1955)

20. Б. И. Степанов, В. П. Грибковский. Введение в теорию люминесценции, Минск, АН БССР (1963); London, Ilisse Books (1968, 1970)

21. В. П. Грибковский. Теория поглощения и испускания света в полупроводниках, Минск, Наука и техника (1975)

22. В. П. Грибковский. Полупроводниковые лазеры, Минск, изд-во Университетское (1988)

23. В. П. Грибковский, Б. И. Степанов. Докл. АН СССР, 183, № 1 (1968) 67—70

24. С. В. Гапоненко. ФТП, 30 (1996) 577—619

25. S. V. Gaponenko. Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals, Cambridge University Press (1998)

26. S. V. Gaponenko, H. Kalt, U. Woggon. Semiconductor Quantum Structures. Optical Properties, 34, Pt 2, Springer (2004), doi: 10.1007/b98078

27. S. V. Gaponenko. Introduction to Nanophotonics, Cambridge University Press (2010), doi: 10.1017/CBO9780511750502

28. S. V. Gaponenko. In: Nano-Optics: Principles Enabling Basic Research and Applications, Dordrecht, Springer (2017) 173—189

29. S. V. Gaponenko, H. V. Demir. Applied Nanophotonics, Cambridge University Press (2018)

30. 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—243

31. E. 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 13.4

32. F. 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 22.29

33. E. 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—207

34. E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications, Ed. D. Kim, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., Ch. 5 (2012) 217—288

35. E. 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—159

36. C. 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—148

37. E. 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—272

38. C. Borczyskowski, E. Zenkevich. Tuning Semiconducting and Metallic Quantum Dots: Spectroscopy and Dynamics, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2017)

39. D. S. Kilin, K. Tsemekhman, O. V. Prezhdo, E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. J. Photochem. and Photobiol. A: Chem., 190 (2007) 342—354

40. C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. Phys. Rev. B, 74 (2006) 085320

41. V. I. Klimov. Annu. Rev. Phys. Chem., 58 (2007) 635—673

42. S. F. Wuister, C. De Mello Donega, M. Bode, A. Meijerink. J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 10397—10402

43. D. M. Sagar, R. R. Cooney, S. L. Sewall, E. A. Dias, M. M.Barsan, J. S. Butler, P. Kambhampati. Phys. Rev. B, 77 (2008) 235321

44. T. J. Liptay, L. F. Marshall, P. S. Rao, R. J. Ram, M. G. Bawendi. Phys. Rev. B, 76 (2007) 155314

45. Y. P. Varshni. Physica, 34 (1967) 149—154

46. G. D. Cody. In: Hydrogenated Amorphous Silicon, Semiconductors and Semimetals, Ed. J. I. Pankove, 21, New York, Academic (1984) 11—79

47. D. Valerini, A. Creti, M. Lomascolo, L. Manna, R. Cingolani, M. Anni. Phys. Rev. B, 71 (2005) 235409

48. J. Lee, E. S. Koteles, M. O. Vassell. Phys. Rev. B, 33 (1986) 5512

49. E. I. Zenkevich, A. Stupak, C. Goehler, C. Krasselt, C. von Borczyskowski. ACS Nano, 9 (2015) 2886—2907

50. Э. И. Зенькевич, К. фон Борцисковски. Изв. РАН. Сер. хим., № 7 (2018) 1220—1230

51. B. Valeur. Molecular Fluorescence. Principles and Applications, Weinheim, Wiley-VCH (2002)

52. H. Sun, P. Cavanaugh, I. Jen-La Plante, M. J. Bautista, R. Ma, D. F. Kelley. J. Phys. Chem. C, 126 (2022) 20065—20073

53. Э. 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—1009

54. R. A. Marcus. Rev. Modern Phys., 65 (1993) 599—610

55. B. 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