We present the first experimental optical absorption spectra of isolated CdSe2+ and Cd2Se2+ species in the photon energy range ℏω = 1.9–4.9 eV. We probe the optical response by measuring photodissociation cross sections and combine our results with time-dependent density functional theory and equation-of-motion coupled cluster calculations. Structural candidates for the time-dependent excited state calculations are generated by a density functional theory based genetic algorithm as a global geometry optimization tool. This approach allows us to determine the cluster geometries present in our molecular beams by a comparison of experimental spectra with theoretical predictions for putative global minimum candidates. For CdSe2+, an excellent agreement between the global minimum and the experimental results is presented. We identify the global minimum geometry of Cd2Se2+ as a trapezium, which is built up of a neutral Se2 and a cationic Cd2+ unit, in contrast to what was previously proposed. We find an excellent overall agreement between experimental spectra and excited state calculations. We further study the influence of total and partial charges on the optical and geometric properties of Cd2Se2 and compare our findings to CdSe quantum dots and to bulk CdSe.

1.
J.
Borbinha
,
IEEE Solid-State Circuits Mag.
5
(
1
),
40
(
2013
).
2.
D. E.
Root
,
IEEE Microwave Mag.
13
,
45
(
2012
).
3.
4.
T. J. K.
Liu
,
U.
Sikder
,
K.
Kato
, and
V.
Stojanovic
, in
Procedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
(
IEEE
,
2017
), p.
1
.
5.
B.
Ullmann
and
T.
Grasser
,
E I Elektr. Inf.
134
,
349
(
2017
).
6.
Y.
Shen
,
N. C.
Harris
,
D.
Englund
, and
M.
Soljačić
,
Nat. Photonics
11
,
441
(
2017
); e-print arXiv:1610.02365.
7.
G. P. C.
Drummen
,
Int. J. Mol. Sci.
11
,
154
(
2010
).
8.
M.
Saad
,
N.
Samsi
,
O.
Hassan
,
M.
Yahya
,
M.
Mohamad Taib
,
A.
Ali
, and
R.
Zakaria
,
MATEC Web Conf.
154
,
01039
(
2018
).
9.
J.
Chen
,
V.
Hardev
, and
J.
Yurek
,
Inf. Disp.
29
(
1
),
12
(
2013
).
10.
F.
Zhang
,
S.
Wang
,
L.
Wang
,
Q.
Lin
,
H.
Shen
,
W.
Cao
,
C.
Yang
,
H.
Wang
,
L.
Yu
,
Z.
Du
,
J.
Xue
, and
L. S.
Li
,
Nanoscale
8
,
12182
(
2016
).
11.
X.
Gao
,
Y.
Cui
,
R. M.
Levenson
,
L. W. K.
Chung
, and
S.
Nie
,
Nat. Biotechnol.
22
,
969
(
2004
).
12.
M. J.
Bowers
 II
,
J. R.
Mcbride
, and
S. J.
Rosenthal
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
15378
(
2005
).
14.
R.
Gross
and
A.
Marx
,
Festkörperphysik
, 1st ed. (
Oldenburg Verlag München
,
München
,
2010
).
15.
M.
Grundmann
,
The Physics of Semiconductors an Introduction Including Nanophysics and Applications
, 3rd ed. (
Springer
,
Berlin
,
2010
).
16.
C.
Kittel
,
Introduction to Solid State Physics
, 8th ed. (
John Wiley Sons, Inc.
,
New York
,
2004
); e-print arXiv:1011.1669v3.
17.
C. B.
Murray
,
D. J.
Norris
, and
M. G.
Bawendi
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
8706
(
1993
).
18.
M.
Makkar
and
R.
Viswanatha
,
RSC Adv.
8
,
22103
(
2018
).
19.
Y.
Shirasaki
,
G. J.
Supran
,
M. G.
Bawendi
, and
V.
Bulović
,
Nat. Photonics
7
,
13
(
2013
).
20.
M. G.
Bawendi
,
A. R.
Kortan
,
M. L.
Steigerwald
, and
L. E.
Brus
,
J. Chem. Phys.
91
,
7282
(
1989
).
21.
M.
Bawendi
,
W.
Wilson
,
L.
Rothberg
,
P.
Carroll
,
T.
Jedju
,
M.
Steigerwald
, and
L.
Brus
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
1623
(
1990
).
22.
M.
Bawendi
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
41
,
477
(
1990
).
23.
L.
Brus
,
Appl. Phys. A Solids Surfaces
53
,
465
(
1991
).
24.
A.
Aboulfotouh
,
B. M.
Fikry
,
M.
Mohamed
,
M.
Omar
,
H.
Rady
, and
Y.
Elbashar
,
Opt. Quantum Electron.
50
,
115
(
2018
).
25.
Y.
Wang
,
Y.
Zhang
,
F.
Wang
,
D. E.
Giblin
,
J.
Hoy
,
H. W.
Rohrs
,
R. A.
Loomis
, and
W. E.
Buhro
,
Chem. Mater.
26
,
2233
(
2014
).
26.
B. M.
Cossairt
,
P.
Juhas
,
S.
Billinge
, and
J. S.
Owen
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
3075
(
2011
).
27.
C.
de Mello Donegá
and
R.
Koole
,
J. Phys. Chem. C
113
,
6511
(
2009
).
28.
J.
Jasieniak
and
P.
Mulvaney
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
2841
(
2007
).
29.
V.
Biju
,
Y.
Makita
,
A.
Sonoda
,
H.
Yokoyama
,
Y.
Baba
, and
M.
Ishikawa
,
J. Phys. Chem. B
109
,
13899
(
2005
).
30.
Z.
Deng
,
L.
Cao
,
F.
Tang
, and
B.
Zou
,
J. Phys. Chem. B
109
,
16671
(
2005
).
31.
C.
Leatherdale
and
W.
Woo
,
J. Phys. Chem. B
106
,
7619
(
2002
).
32.
V. N.
Soloviev
,
A.
Eichhöfer
,
D.
Fenske
, and
U.
Banin
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
2354
(
2001
).
33.
V. N.
Soloviev
,
A.
Eichhöfer
,
D.
Fenske
, and
U.
Banin
,
Phys. Status Solidi B
224
,
285
(
2001
).
34.
L. H.
Qu
,
Z. A.
Peng
, and
X. G.
Peng
,
Nano Lett.
1
,
333
(
2001
).
35.
D.
Norris
and
M.
Bawendi
,
Phys. Rev. B
53
,
16338
(
1996
).
36.
F. S.
Riehle
,
R.
Bienert
,
R.
Thomann
,
G. a.
Urban
, and
M.
Krüger
,
Nano Lett.
9
,
514
(
2009
).
37.
K. J.
Nordell
,
E. M.
Boatman
, and
G. C.
Lisensky
,
J. Chem. Educ.
82
,
1697
(
2005
).
38.
B. O.
Dabbousi
,
J.
Rodriguez
,
F. V.
Mikulec
,
J. R.
Heine
,
H.
Mattoussi
,
R.
Ober
,
K. F.
Jensen
, and
M. G.
Bawendi
,
J. Phys. Chem. B
101
,
9463
(
1997
).
39.
B.
Zorman
,
M. V.
Ramakrishna
, and
R. A.
Friesner
,
J. Phys. Chem.
99
,
7649
(
1995
).
40.
C.
Delerue
,
G.
Allan
, and
M.
Lannoo
,
J. Lumin.
80
,
65
(
1998
).
41.
V.
Albe
,
C.
Jouanin
, and
D.
Bertho
,
Phys. Rev. B
58
,
4713
(
1998
).
42.
S.
Reimann
and
M.
Manninen
,
Rev. Mod. Phys.
74
,
1283
(
2002
).
43.
44.
A. P.
Alivisatos
,
J. Phys. Chem.
100
,
13226
(
1996
).
45.
D. M.
Wood
and
N. W.
Ashcroft
,
Phys. Rev. B
25
,
6255
(
1982
).
46.
Y.
Wang
and
N.
Herron
,
J. Phys. Chem.
95
,
525
(
1991
).
47.
A. M.
Smith
and
S.
Nie
,
Acc. Chem. Res.
43
,
190
(
2010
).
48.
T.
Orii
,
S.
Kaito
,
K.
Matsuishi
,
S.
Onari
, and
T.
Arai
,
J. Phys. Condens. Matter
9
,
4483
(
1999
).
49.
H.
Zhang
,
X.
Peng
,
L.
Sun
, and
F.
Liu
,
MATEC Web Conf.
26
,
1006
(
2015
).
50.
A.
Kasuya
,
R.
Sivamohan
,
Y. A.
Barnakov
,
I. M.
Dmitruk
,
T.
Nirasawa
,
V. R.
Romanyuk
,
V.
Kumar
,
S. V.
Mamykin
,
K.
Tohji
,
B.
Jeyadevan
,
K.
Shinoda
,
T.
Kudo
,
O.
Terasaki
,
Z.
Liu
,
R. V.
Belosludov
,
V.
Sundararajan
, and
Y.
Kawazoe
,
Nat. Mater.
3
,
99
(
2004
).
51.
M. M.
Sigalas
,
E. N.
Koukaras
, and
A. D.
Zdetsis
,
RSC Adv.
4
,
14613
(
2014
).
52.
M.
Troparevsky
,
L.
Kronik
, and
J.
Chelikowsky
,
Phys. Rev. B
65
,
033311
(
2001
).
53.
M. C.
Troparevsky
and
J. R.
Chelikowsky
,
J. Chem. Phys.
114
,
943
(
2001
).
54.
P.
Deglmann
,
R.
Ahlrichs
, and
K.
Tsereteli
,
J. Chem. Phys.
116
,
1585
(
2002
).
55.
J. M.
Matxain
,
J. M.
Mercero
,
J. E.
Fowler
, and
J. M.
Ugalde
,
J. Phys. Chem. A
108
,
10502
(
2004
).
56.
A.
Puzder
,
A. J.
Williamson
,
N.
Zaitseva
,
G.
Galli
,
L.
Manna
, and
A. P.
Alivisatos
,
Nano Lett.
4
,
2361
(
2004
).
57.
S.
Botti
and
M. A.
Marques
,
Phys. Rev. B
75
,
035311
(
2007
); e-print arXiv:0605517 [cond-mat].
58.
M.
Lopez Del Puerto
,
M. L.
Tiago
, and
J. R.
Chelikowsky
,
Phys. Rev. B
77
,
045404
(
2008
).
59.
P.
Chandra
,
P.
Seal
,
S.
Sen
,
H.
Ågren
, and
S.
Chakrabarti
,
Comput. Mater. Sci.
44
,
728
(
2008
).
60.
K. A.
Nguyen
,
P. N.
Day
, and
R.
Pachter
,
J. Phys. Chem.
114
,
16197
(
2010
).
61.
L. G.
Gutsev
,
N. S.
Dalal
, and
G. L.
Gutsev
,
J. Phys. Chem. C
119
,
6261
(
2015
).
62.
E.
Sanville
,
A.
Burnin
, and
J. J.
BelBruno
,
J. Phys. Chem. A
110
,
2378
(
2006
).
63.
A.
Shayeghi
,
R. L.
Johnston
, and
R.
Schäfer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
19715
(
2013
).
64.
A.
Shayeghi
,
D. A.
Götz
,
R. L.
Johnston
, and
R.
Schäfer
,
Eur. Phys. J. D
69
,
152
(
2015
).
65.
A.
Shayeghi
,
C. J.
Heard
,
R. L.
Johnston
, and
R.
Schäfer
,
J. Chem. Phys.
140
,
054312
(
2014
).
66.
A.
Shayeghi
,
L. F.
Pašteka
,
D. A.
Götz
,
P.
Schwerdtfeger
, and
R.
Schäfer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
9108
(
2018
).
67.
A.
Shayeghi
,
R. L.
Johnston
, and
R.
Schäfer
,
J. Chem. Phys.
141
,
181104
(
2014
).
68.
J. A.
Vargas
,
F.
Buendía
, and
M. R.
Beltrán
,
J. Phys. Chem. C
121
,
10982
(
2017
).
69.
A.
Shayeghi
,
D.
Götz
,
J. B. A.
Davis
,
R.
Schäfer
, and
R. L.
Johnston
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
2104
(
2015
).
70.
J. B.
Davis
,
A.
Shayeghi
,
S. L.
Horswell
, and
R. L.
Johnston
,
Nanoscale
7
,
14032
(
2015
).
71.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
72.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
73.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
74.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
75.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
76.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
77.
M.
Valiev
,
E. J.
Bylaska
,
N.
Govind
,
K.
Kowalski
,
T. P.
Straatsma
,
H. J. J. V.
Dam
,
D.
Wang
,
J.
Nieplocha
,
E.
Apra
,
T. L.
Windus
, and
W. A. D.
Jong
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
1477
(
2010
).
78.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
); e-print arXiv:1011.1669v3.
79.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
); e-print arXiv:z0024.
80.
K. A.
Peterson
,
J. Chem. Phys.
119
,
11099
(
2003
).
81.
D.
Figgen
,
G.
Rauhut
,
M.
Dolg
, and
H.
Stoll
,
Chem. Phys.
311
,
227
(
2005
).
82.
K. A.
Peterson
and
C.
Puzzarini
,
Theor. Chem. Acc.
114
,
283
(
2005
).
83.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
B.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. J.
Montgomery
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
V.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R.
Martin
,
K.
Norokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Forseman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision D.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2009
.
84.
P.
Yang
,
S.
Tretiak
,
A. E.
Masunov
, and
S.
Ivanov
,
J. Chem. Phys.
129
,
074709
(
2008
).
85.
L.
Skripnikov
, “
Chemissian, A computer program to analyse and visualise quantum-chemical calculations
” (
2017
), https://www.chemissian.com/.
86.
N.
Chestnoy
,
R.
Hull
, and
L. E.
Brus
,
J. Chem. Phys.
85
,
2237
(
1986
).
87.
P.
Ganesan
and
S.
Lakshmipathi
,
Physica E
83
,
284
(
2016
).
88.
J.
Friedrich
,
S.
Gilb
,
O. T.
Ehrler
,
A.
Behrendt
, and
M. M.
Kappes
,
J. Chem. Phys.
117
,
2635
(
2002
).
89.
V.
Ptatschek
,
T.
Schmidt
,
M.
Lerch
,
G.
Müller
,
L.
Spanhel
,
A.
Emmerling
,
J.
Fricke
,
A.
Foitzik
, and
E.
Langer
,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem.
102
,
85
(
1998
).
90.
A. P.
Alivisatos
,
A. L.
Harris
,
N. J.
Levinos
,
M. L.
Steigerwald
, and
L. E.
Brus
,
J. Chem. Phys.
89
,
4001
(
1988
).
91.
J.
Jasieniak
,
M.
Califano
, and
S. E.
Watkins
,
ACS Nano
5
,
5888
(
2011
).
92.
M. L.
Del Puerto
,
M. L.
Tiago
, and
J. R.
Chelikowsky
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
096401
(
2006
); e-print arXiv:0608521 [cond-mat].
93.
S. V.
Gaponenko
,
Optical Properties of Semiconductor Nanocrystals
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1998
).
94.
H. C.
Weissker
,
J.
Furthmüller
, and
F.
Bechstedt
,
Phys. Rev. B
69
,
115310
(
2004
).
95.
N. D.
Drummond
,
A. J.
Williamson
,
R. J.
Needs
, and
G.
Galli
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
096801
(
2005
); e-print arXiv:0801.0381v1.
96.
J. Y.
Raty
,
G.
Galli
,
C.
Bostedt
,
T. W.
van Buuren
, and
L. J.
Terminello
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
037401
(
2003
).
97.
K. A.
Nguyen
,
R.
Pachter
, and
P. N.
Day
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
3581
(
2013
).
98.
R.
Nadler
and
J. F.
Sanz
,
Theor. Chem. Acc.
132
,
1342
(
2013
).
99.
G. L.
Gutsev
,
R. H.
O’Neal
,
K. G.
Belay
, and
C. A.
Weatherford
,
Chem. Phys.
368
,
113
(
2010
).
100.
V.
Proshchenko
and
Y.
Dahnovsky
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
7555
(
2014
).
101.
P.
Karamanis
,
C.
Pouchan
,
C. A.
Weatherford
, and
G. L.
Gutsev
,
J. Phys. Chem. C
115
,
97
(
2011
).
102.
A. J.
Williamson
,
J. C.
Grossman
,
R. Q.
Hood
,
A.
Puzder
, and
G.
Galli
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
196803
(
2002
).
103.
S.
Kudera
,
M.
Zanella
,
C.
Giannini
,
A.
Rizzo
,
Y.
Li
,
G.
Gigli
,
R.
Cingolani
,
G.
Ciccarella
,
W.
Spahl
,
W. J.
Parak
, and
L.
Manna
,
Adv. Mater.
19
,
548
(
2007
).
104.
J.
Jasieniak
,
L.
Smith
,
J.
van Embden
,
P.
Mulvaney
, and
M.
Califano
,
J. Phys. Chem. C
113
,
19468
(
2009
).
105.
W. W.
Yu
,
L.
Qu
,
W.
Guo
, and
X.
Peng
,
Chem. Mater.
15
,
2854
(
2003
).
106.
A.
Puzder
,
A. J.
Williamson
,
F.
Gygi
, and
G.
Galli
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
217401
(
2004
).
107.
M.
Del Ben
,
R. W. A.
Havenith
,
R.
Broer
, and
M.
Stener
,
J. Phys. Chem. C
115
,
16782
(
2011
).
108.
B. P.
Bloom
,
L. B.
Zhao
,
Y.
Wang
,
D. H.
Waldeck
,
R.
Liu
,
P.
Zhang
, and
D. N.
Beratan
,
J. Phys. Chem. C
117
,
22401
(
2013
).
109.
S. A.
Fischer
,
A. M.
Crotty
,
S. V.
Kilina
,
S. A.
Ivanov
, and
S.
Tretiak
,
Nanoscale
4
,
904
(
2012
).
110.
S.-P.
Yu
,
D.-L.
Huang
,
Z.-G.
Zhao
,
M.-L.
Yang
, and
M.-H.
Yang
,
J. Cluster Sci.
28
,
1825
(
2017
).
111.
J. M.
Azpiroz
,
J. M.
Matxain
,
I.
Infante
,
X.
Lopez
, and
J. M.
Ugalde
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
10996
(
2013
).
112.
S.
Xu
,
C.
Wang
, and
Y.
Cui
,
J. Mol. Model.
16
,
469
(
2010
).
113.
V. V.
Albert
,
S. A.
Ivanov
,
S.
Tretiak
, and
S. V.
Kilina
,
J. Phys. Chem. C
115
,
15793
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.