Doping is one of the key technologies in modern semiconductor science and industry. However, the synthetic control of doped nanocrystals is difficult to achieve. Here, we report the facile synthesis of manganese (II) doped ZnSe nanocrystals with controlled dimensionality. A strong Lewis acid-base reaction using air-stable and environmentally friendly metal chlorides as precursors can readily produce a large amount of quantum-confined ZnSe:Mn2+ nanocrystals. A combination of primary and secondary amines is used to control the synthetic chemistry, which enables the shape of the doped nanocrystals to be controlled. The final doping concentration of the products can be finely tunable, which is critical for carrier relaxation dynamics. It turns out that the threshold doping level for the maximum photoluminescence intensity of doped nanocrystals highly depends on their shape. Furthermore, this simple synthetic method is extendable to obtain various Mn2+-doped II–VI semiconductor nanocrystals such as CdS:Mn2+ and ZnS:Mn2+. Our study will facilitate the fundamental understanding of the doped semiconductor nanocrystals with different shapes, which is potentially useful for a wide range of applications such as lighting, photocatalysis, and bioimaging.

1.
C. B.
Murray
,
D. J.
Norris
, and
M. G.
Bawendi
,
J. Am. Chem. Soc.
115
,
8706
(
1993
).
2.
D. V.
Talapin
,
J. S.
Lee
,
M. V.
Kovalenko
, and
E. V.
Shevchenko
,
Chem. Rev.
110
,
389
(
2010
).
3.
X.
Peng
,
L.
Manna
,
W.
Yang
,
J.
Wickham
,
E.
Scher
,
A.
Kadavanich
, and
A. P.
Alivisatos
,
Nature
404
,
59
(
2000
).
4.
J. H.
Yu
,
X.
Liu
,
K. E.
Kweon
,
J.
Joo
,
J.
Park
,
K. T.
Ko
,
D. W.
Lee
,
S.
Shen
,
K.
Tivakomsasithorn
,
J. S.
Son
,
J. H.
Park
,
Y. W.
Kim
,
G. S.
Hwang
,
M.
Dobrowolska
,
J. K.
Furdyna
, and
T.
Hyeon
,
Nat. Mater.
9
,
47
(
2010
).
5.
A. I.
Hochbaum
and
P.
Yang
,
Chem. Rev.
110
,
527
(
2010
).
6.
M. R.
Bergren
,
P. K. B.
Palomaki
,
N. R.
Neale
,
T. E.
Furtak
, and
M. C.
Beard
,
ACS Nano
10
,
2316
(
2016
).
7.
I.
Moreels
,
K.
Lambert
,
D.
Smeets
,
D. D.
Muynck
,
T.
Nollet
,
J. C.
Martins
,
F.
Vanhaecke
,
A.
Vantomme
,
C.
Delerue
,
G.
Allan
, and
Z.
Hens
,
ACS Nano
3
,
3023
(
2009
).
8.
K. E.
Knowles
,
M. T.
Frederick
,
D. B.
Tice
,
A. J.
Morris-Cohen
, and
E. A.
Weiss
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
18
(
2012
).
9.
E. A.
Weiss
,
R. C.
Chiechi
,
S. M.
Geyer
,
V. J.
Porter
,
D. C.
Bell
,
M. G.
Bawendi
, and
G. M.
Whitesides
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
74
(
2008
).
10.
A.
Agrawal
,
I.
Kriegel
, and
D. J.
Milliron
,
J. Phys. Chem. C
119
,
6227
(
2015
).
11.
D. V.
Talapin
,
A. L.
Rogach
,
A.
Kornowski
,
M.
Haase
, and
H.
Weller
,
Nano Lett.
1
,
207
(
2001
).
12.
D. J.
Norris
,
A. L.
Efros
, and
S. C.
Erwin
,
Science
319
,
1776
(
2008
).
13.
M.
Shim
and
P.
Guyot-Sionnest
,
Nature
407
,
981
(
2000
).
14.
J.
Lee
,
J.
Yang
,
S. G.
Kwon
, and
T.
Hyeon
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16034
(
2016
).
15.
I.
Zutic
,
J.
Fabian
, and
S. D.
Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
,
323
(
2004
).
16.
F.
Muckel
,
C. J.
Barrows
,
A.
Graf
,
A.
Schmitz
,
C. S.
Erickson
,
D. R.
Gamelin
, and
G.
Bacher
,
Nano Lett.
17
,
4768
(
2017
).
17.
A. K.
Rath
,
S.
Bhaumik
, and
A. J.
Pal
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
113502
(
2010
).
18.
V.
Wood
,
J. E.
Halpert
,
M. J.
Panzer
,
M. G.
Bawendi
, and
V.
Bulovic
,
Nano Lett.
9
,
2367
(
2009
).
19.
C. R.
Kagan
,
E.
Lifshitz
,
E. H.
Sargent
, and
D. V.
Talapin
,
Science
353
,
aac5523
(
2016
).
20.
J.
Yang
,
M. K.
Choi
,
D.-H.
Kim
, and
T.
Hyeon
,
Adv. Mater.
28
,
1176
(
2016
).
21.
D. V.
Talapin
and
C. B.
Murray
,
Science
310
,
86
(
2005
).
22.
E. S.
Levy
,
C. A.
Tajon
,
T. S.
Bischof
,
J.
Iafrati
,
A.
Fernandez-Bravo
,
D. J.
Garfield
,
M.
Chamanzar
,
M. M.
Maharbiz
,
V. S.
Sohal
,
P. J.
Schuck
,
B. E.
Cohen
, and
E. M.
Chan
,
ACS Nano
10
,
8423
(
2016
).
23.
O.
Chen
,
L.
Riedemann
,
F.
Etoc
,
H.
Herrmann
,
M.
Coppey
,
M.
Barch
,
C. T.
Farrar
,
J.
Zhao
,
O. T.
Bruns
,
H.
Wei
,
P.
Guo
,
J.
Cui
,
R.
Jensen
,
Y.
Chen
,
D. K.
Harris
,
J. M.
Cordero
,
Z.
Wang
,
A.
Jasanoff
,
D.
Fukumura
,
R.
Reimer
,
M.
Dahan
,
R. K.
Jain
, and
M. G.
Bawendi
,
Nat. Commun.
5
,
5093
(
2014
).
24.
J. H.
Yu
,
S.-H.
Kwon
,
Z.
Petrasek
,
O. K.
Park
,
S. W.
Jun
,
K.
Shin
,
M.
Choi
,
Y. I.
Park
,
K.
Park
,
H. B.
Na
,
N.
Lee
,
D. W.
Lee
,
J. H.
Kim
,
P.
Schwille
, and
T.
Hyeon
,
Nat. Mater.
12
,
359
(
2013
).
25.
D.
Mocatta
,
G.
Cohen
,
J.
Schattner
,
O.
Millo
,
E.
Rabani
, and
U.
Banin
,
Science
332
,
77
(
2011
).
26.
A.
Sahu
,
M. S.
Kang
,
A.
Kompch
,
C.
Notthoff
,
A. W.
Wills
,
D.
Deng
,
M.
Winterer
,
C. D.
Frisbie
, and
D. J.
Norris
,
Nano Lett.
12
,
2587
(
2012
).
27.
N.
Grumbach
,
A.
Rubin-Brusilovski
,
G. I.
Maikov
,
E.
Tilchin
, and
E.
Lifshitz
,
J. Phys. Chem. C
117
,
21021
(
2013
).
28.
P.
Chakraborty
,
Y.
Jin
,
C. J.
Barrows
,
S. T.
Dunham
, and
D. R.
Gamelin
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
12885
(
2016
).
29.
N.
Pradhan
,
S. D.
Adhikari
,
A.
Nag
, and
D. D.
Sarma
,
Angew. Chem., Int. Ed.
56
,
7038
(
2017
).
30.
J.
Yang
,
F.
Muckel
,
W.
Baek
,
R.
Fainblat
,
H.
Chang
,
G.
Bacher
, and
T.
Hyeon
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
6761
(
2017
).
31.
D. M.
Kroupa
,
B. K.
Hughes
,
E. M.
Miller
,
D. T.
Moore
,
N. C.
Anderson
,
B. D.
Chernomordik
,
A. J.
Nozik
, and
M. C.
Beard
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
10382
(
2017
).
32.
P.
Lommens
,
F.
Loncke
,
P. F.
Smet
,
F.
Callens
,
D.
Poelman
,
H.
Vrielinck
, and
Z.
Hens
,
Chem. Mater.
19
,
5576
(
2007
).
33.
D. V.
Talapin
,
C. T.
Black
,
C. R.
Kagan
,
E. V.
Shevchenko
,
A.
Afzali
, and
C. B.
Murray
,
J. Phys. Chem. C
111
,
13244
(
2007
).
34.
D. A.
Schwartz
,
N. S.
Norberg
,
Q. P.
Nguyen
,
J. M.
Parker
, and
D. R.
Gamelin
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
13205
(
2003
).
35.
Y.
Yang
,
O.
Chen
,
A.
Angerhofer
, and
Y. C.
Cao
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
15649
(
2008
).
36.
S. C.
Erwin
,
L.
Zu
,
M. I.
Hafel
,
A. L.
Efros
,
T. A.
Knnedy
, and
D. J.
Norris
,
Nature
436
,
91
(
2005
).
37.
J. D.
Bryan
and
D. R.
Gamelin
,
Prog. Inorg. Chem.
54
,
47
(
2005
).
38.
M.-H.
Du
,
S. C.
Erwin
, and
A. L.
Efros
,
Nano Lett.
8
,
2878
(
2008
).
39.
B. B.
Srivastava
,
S.
Jana
, and
N.
Pradhan
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1007
(
2011
).
40.
R.
Buonsanti
and
D. J.
Milliron
,
Chem. Mater.
25
,
1305
(
2013
).
41.
Z. A.
Peng
and
X.
Peng
,
J. Am. Chem. Soc.
123
,
1389
(
2001
).
42.
Y.
Yin
and
A. P.
Alivisatos
,
Nature
437
,
664
(
2005
).
43.
P. T. K.
Chin
,
J. W.
Stouwdam
, and
R. A. J.
Janssen
,
Nano Lett.
9
,
745
(
2009
).
44.
V. A.
Vlaskin
,
C. J.
Barrows
,
C. S.
Erickson
, and
D. R.
Gamelin
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
14380
(
2013
).
45.
S.
Delikanli
,
M. Z.
Akgul
,
J. R.
Murphy
,
B.
Barman
,
Y.
Tsai
,
T.
Scrace
,
P.
Zhang
,
B.
Bozok
,
P. L.
Hernadez-Martinez
,
J.
Christodoulides
,
A. N.
Cartwright
,
A.
Petrou
, and
H. V.
Demir
,
ACS Nano
9
,
12473
(
2015
).
46.
F.
Muckel
,
S.
Delikanli
,
P. L.
Hernadez-Martinez
,
T.
Priesner
,
S.
Lorenz
,
J.
Ackermann
,
M.
Sharma
,
H. V.
Demir
, and
G.
Bacher
,
Nano Lett.
18
,
2047
(
2018
).
47.
M.
Sharma
,
K.
Gungor
,
A.
Yeltik
,
M.
Olutas
,
B.
Guzelturk
,
Y.
Kelestemur
,
T.
Erdem
,
S.
Delikanli
,
J. R.
McBride
, and
H. V.
Demir
,
Adv. Mater.
29
,
1700821
(
2017
).
48.
N.
Sonoda
,
T.
Yasuhara
,
K.
Kondo
,
T.
Ikeda
, and
S.
Tsutsumi
,
J. Am. Chem. Soc.
93
,
6344
(
1971
).
49.
J.
Yang
,
R.
Fainblat
,
S. G.
Kwon
,
F.
Muckel
,
J. H.
Yu
,
H.
Terlinden
,
B. H.
Kim
,
D.
lavarone
,
M. K.
Choi
,
I. Y.
Kim
,
I.
Park
,
H.-K.
Hong
,
J.
Lee
,
J. S.
Son
,
Z.
Lee
,
K.
Kang
,
S.-J.
Hwang
,
G.
Bacher
, and
T.
Hyeon
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
12776
(
2015
).
50.
A. P.
Alivisatos
,
Science
271
,
933
(
1996
).
51.
R. N.
Bhargava
,
D.
Gallagher
,
X.
Hong
, and
A.
Nurmikko
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
416
(
1994
).
52.
N.
Pradhan
and
X.
Peng
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
3339
(
2007
).
53.
Y.
Yang
,
O.
Chen
,
A.
Angerhofer
, and
Y. C.
Cao
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
12428
(
2006
).
54.
S.
Acharya
,
D. D.
Sarma
,
N. R.
Jana
, and
N.
Pradhan
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
485
(
2009
).
55.
C.
Gan
,
Y.
Zhang
,
D.
Battaglia
,
X.
Peng
, and
M.
Xiao
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
241111
(
2008
).
56.
D. J.
Norris
,
N.
Yao
,
F. T.
Charnock
, and
T. A.
Kennedy
,
Nano Lett.
1
,
3
(
2001
).
57.
V. K.
Sharma
,
S.
Gokyar
,
Y.
Kelestemur
,
T.
Erdem
,
E.
Unal
, and
H. V.
Demir
,
Small
10
,
4961
(
2014
).
58.
M. K.
Choi
,
J.
Yang
,
D. C.
Kim
,
Z.
Dai
,
J.
Kim
,
H.
Seung
,
V. S.
Kale
,
S. J.
Sung
,
C. R.
Park
,
N.
Lu
,
T.
Hyeon
, and
D.-H.
Kim
,
Adv. Mater.
30
,
1703279
(
2018
).
59.
M. K.
Choi
,
J.
Yang
,
K.
Kang
,
D. C.
Kim
,
C.
Choi
,
C.
Park
,
S. J.
Kim
,
S. I.
Chae
,
T. H.
Kim
,
T.
Hyeon
, and
D.-H.
Kim
,
Nat. Commun.
6
,
7149
(
2015
).
60.
M.
Marudachalam
,
H.
Hichri
,
R.
Klenk
,
R. W.
Birkmire
, and
W. N.
Shafarman
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
3978
(
1995
).
61.
H.
Liang
,
U.
Avachat
,
W.
Liu
,
J. V.
Duren
, and
M.
Le
,
Solid-State Electron.
76
,
95
(
2012
).
62.
L.
Lian
,
Y.
Xia
,
C.
Zhang
,
B.
Xu
,
L.
Yang
,
H.
Liu
,
D.
Zhang
,
K.
Wang
,
J.
Gao
, and
J.
Zhang
,
Chem. Mater.
30
,
982
(
2018
).
63.
J. J.
Christensen
,
R. M.
Izatt
,
D. P.
Wrathall
, and
L. D.
Hansen
,
J. Chem. Soc. A
89
,
1212
(
1969
).
64.
H.
Wang
and
H.
Li
,
Chalcogenide Lett.
8
,
309
(
2011
).
65.
H.
Chauhan
,
Y.
Kumar
, and
S.
Deka
,
Nanoscale
6
,
10347
(
2014
).
66.
S.
Acharya
,
S.
Sarkar
, and
N.
Pradhan
,
J. Phys. Chem. C
117
,
6006
(
2013
).
67.
W.
Park
,
T. C.
Jones
,
W.
Tong
,
S.
Schon
,
M.
Chaichimansour
,
B. K.
Wagner
, and
C. J.
Summers
,
J. Appl. Phys.
84
,
6852
(
1998
).
68.
A.
Ishizumi
,
E.
Jojima
,
A.
Yamamoto
, and
Y.
Kanemitsu
,
J. Phys. Soc. Jpn.
77
,
053705
(
2008
).
69.
W. K.
Bae
and
J.
Lim
,
Korean J. Chem. Eng.
36
,
173
(
2019
).
70.
D.
Lee
,
S.
Koh
,
D.
Yoon
,
S.
Lee
,
W. D.
Kim
,
D.
Kim
,
W. K.
Bae
,
J.
Lim
, and
D. C.
Lee
,
Korean J. Chem. Eng.
36
,
1518
(
2019
).
71.
C.-S.
Hwang
and
I.-H.
Cho
,
Bull. Korean Chem. Soc.
26
,
1776
(
2005
).
72.
A. M.
Smith
,
A. M.
Mohs
, and
S.
Nie
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
56
(
2009
).
73.
G. H.
Li
,
F. H.
Su
,
B. S.
Ma
,
K.
Ding
,
S. J.
Xu
, and
W.
Chen
,
Phys. Status Solidi B
241
,
3248
(
2004
).
74.
S.
Mangel
,
L.
Houben
, and
M. B.
Sadan
,
Nanoscale
8
,
17568
(
2016
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.