Development of Colloidal Alloyed Nanocrystals for Quantum Dot Based Device Applications

Abstract

Quantum dots (QDs) are very attractive luminescent semiconducting nanoparticles. In this study, our aim was to synthesize Cd and/or Zn based QDs with tunable optical properties by the particle size and the alloy composition. Colloidal water dispersible Mn-doped and nondoped ZnSxSe1-x QDs were synthesized by the one-pot aqueous method. Optical measurements indicate that photoluminescent properties are strongly depended on the capping agent. While MPA capped QDs showed an emission peak in the blue region, others did not show any photoluminescence at all. Mn doping up to 10% resulted in no significant effect on the optical spectra. However structural characterizations, EPR and XRD, supported that Mn ions were bounded to the 220 and 311 facets of QD. ZnxCd1-xSySe1-y quaternary nanoalloys were synthesized by using a modified two-phase approach for the first time in the literature. Optical properties of highly luminescent ZnxCd1-xSySe1-y nanoalloys were tuned from blue to yellow by the particle size, the alloy composition, and thickness of shell layer. The reactivity of the reactants, initial mole ratios, and other reaction parameters was adjusted to control alloy composition and alloy type: homogeneous and gradient. The reaction time controls the size of particles. The PL QE (up to 52%) and lifetimes (about 25 ns) were found similar regardless of core and core-shell nanoalloys. MicroPL measurements were carried out on ZnxCd1-xSySe1-y nanoalloys by fiber spectrometer integrated to confocal microscope. Photobleaching and blue-shifting, about 6 nm, were observed in the microPL spectra. Photobleaching times and rate constants obtained from single exponential decay curves showed that purification and exposure time are strongly effective. Additionally, the power the excitation light is essential that below 11 μW, photobleaching slows down, and at 2 μW there is no photobleaching. Scale-up methods with high-volume batch and flow reactor were used to synthesize CdTe and ZnxCd1-xSySe1-y QDs. LEFETs were fabricated with TUBITAK support in collaboration with Heidelberg University. PbS QDs were used as emitting material at the bottom contact top-gate unipolar LEFETs in which uniform electroluminescence was obtained.

Kuantum noktalar (QD) oldukça ilgi çeken ışık yayan yarı iletken nanoparçacıklardır. Bu çalışmada amacımız Cd ve/veya Zn tabanlı QD’lerin sentezi ile optik özelliklerinin parçacık boyutu ve alaşım komposizyonu ile kontrol edilmesidir. Kolloidal yapıda suda dağılım yapabilen Mn katkılandırılmış ve katkılandırılmamış ZnSxSe1-x QD’leri sulu sentez yöntemi ile sentezlenmiştir. Optik ölçümler QD’lerin yüzey aktif ligantlarının fotolüminesans özellikler üzerinde etkili olduğunu göstermiştir. MPA kaplı QD’ler mavi bölgede ışıma yaparken diğerlerinde fotolüminesans özellikler gözlenmemiştir. %10 oranına kadar Mn katkılandırılan QD’lerin optik özelliklerinde herhangi bir değişim gözlemlenmezken EPR ve XRD ölçümleri Mn iyonlarının QD’lerin 220 ve 311 yüzeylerine bağlandıklarını göstermiştir. ZnxCd1-xSySe1-y dörtlü nanoalaşımlar literatürde ilk kez, modifiye iki faz sentez yöntemi ile sentezlenmiştir. Yüksek ışıma özelliklerine sahip QD’lerin optik özellikleri, parçacık boyutu, alaşım kompozisyonu ve kabuk katman kalınlığı kontrolü ile maviden sarıya kadar ayarlanabilmektedir. Reaktantların reaktiviteleri, başlangıç mol oranları ve diğer reaksiyon parametreleri ile alaşım tipi, homojen ya da gradyan olarak kontrol edilebilmektedir. Parçacık boyutu ise reaksiyon süresi ile kontrol edilmektedir. Çekirdek ve çekirdek/kabuk yapısındaki QD’lerin kuantum verimleri (% 52’ye kadar) ve yarı ömürleri (ortalama 25 ns) benzerdir. MikroPL çalışmaları fiber spektrometre bütünleşmiş konfocal mikroskobu kullanılarak tamamlanmıştır. MikroPL spektrumda fotosönümlenme ve 5-6 nm kadar mavi bölgeye kayma gözlenmiştir. Tekil üstel bozunma eğrileri yardımı ile hesaplanan fotosönümlenme hız sabiti ve zamanı, yıkama işlemi ile ışığa maruz kalma süresinin önemini göstermiştir. Ayrıca gönderilen ışık şiddeti ile fotosönümlenme etkilenmiş; 11 μW altında yavaşlarken, 2 μW’da gözlenmemiştir. CdTe ve ZnxCd1-xSySe1-y QD’lerinin yüksek oranlarda sentezi için yüksek hacimli reaktör ve akışlı reaktör sistemi kullanılmıştır. Işık yayan alan etkili transistörler, TUBITAK desteğiyle Heidelberg Üniversitesi ile iş birliği içinde, PbS QD’ler kullanılarak üretilmiştir. “Alt kontak üst kapı” yapısındaki tek kutuplu LEFET’lerden düzenli bir elektrolüminesans alınabilmiştir.