We demonstrate fine-tuning of the atomic composition of InP/ZnSe quantum dots (QDs) at the core/shell interface. Specifically, we control the stoichiometry of both anions (P, As, S, and Se) and cations (In and Zn) at the InP/ZnSe core/shell interface and correlate these changes with the resultant steady-state and time-resolved optical properties of the nanocrystals. The use of reactive trimethylsilyl reagents results in surface-limited reactions that shift the nanocrystal stoichiometry to anion-rich and improve epitaxial growth of the shell layer. In general, anion deposition on the InP QD surface results in a redshift in the absorption, quenching of the excitonic photoluminescence, and a relative increase in the intensity of broad trap-based photoluminescence, consistent with delocalization of the exciton wavefunction and relaxation of exciton confinement. Time-resolved photoluminescence data for the resulting InP/ZnSe QDs show an overall small change in the decay dynamics on the ns timescale, suggesting that the relatively low photoluminescence quantum yields may be attributed to the creation of new thermally activated charge trap states and likely a dark population that is inseparable from the emissive QDs. Cluster-model density functional theory calculations show that the presence of core/shell interface anions gives rise to electronic defects contributing to the redshift in the absorption. These results highlight a general strategy to atomistically tune the interfacial stoichiometry of InP QDs using surface-limited reaction chemistry allowing for precise correlations with the electronic structure and photophysical properties.

1.
C.
Ippen
,
W.
Guo
,
D.
Zehnder
,
D.
Kim
,
J.
Manders
,
D.
Barrera
,
B.
Newmeyer
,
D.
Hamilton
,
C.
Wang
,
C.
Hotz
,
R.
Ma
,
J. K.
Bin
,
B.
Kim
,
K.
Kim
,
K.
Jang
,
J.
Park
,
T.
Lee
,
W. Y.
Kim
, and
J.
Lee
,
J. Soc. Inf. Disp.
27
,
338
(
2019
).
2.
J.-H.
Jo
,
J.-H.
Kim
,
K.-H.
Lee
,
C.-Y.
Han
,
E.-P.
Jang
,
Y. R.
Do
, and
H.
Yang
,
Opt. Lett.
41
,
3984
(
2016
).
3.
J.
Lim
,
M.
Park
,
W. K.
Bae
,
D.
Lee
,
S.
Lee
,
C.
Lee
, and
K.
Char
,
ACS Nano
7
,
9019
(
2013
).
4.
Y.
Kim
,
S.
Ham
,
H.
Jang
,
J. H.
Min
,
H.
Chung
,
J.
Lee
,
D.
Kim
, and
E.
Jang
,
ACS Appl. Nano Mater.
2
,
1496
(
2019
).
5.
H.
Zhang
,
X.
Ma
,
Q.
Lin
,
Z.
Zeng
,
H.
Wang
,
L. S.
Li
,
H.
Shen
,
Y.
Jia
, and
Z.
Du
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
960
(
2020
).
6.
T.
Lee
,
D.
Hahm
,
K.
Kim
,
W. K.
Bae
,
C.
Lee
, and
J.
Kwak
,
Small
15
,
1905162
(
2019
).
7.
Y.-H.
Won
,
O.
Cho
,
T.
Kim
,
D.-Y.
Chung
,
T.
Kim
,
H.
Chung
,
H.
Jang
,
J.
Lee
,
D.
Kim
, and
E.
Jang
,
Nature
575
,
634
(
2019
).
8.
Y.
Li
,
X.
Hou
,
X.
Dai
,
Z.
Yao
,
L.
Lv
,
Y.
Jin
, and
X.
Peng
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
6448
(
2019
).
9.
H.
Fu
and
A.
Zunger
,
Phys. Rev. B
56
,
1496
(
1997
).
10.
S.
Adam
,
D. V.
Talapin
,
H.
Borchert
,
A.
Lobo
,
C.
McGinley
,
A. R. B.
de Castro
,
M.
Haase
,
H.
Weller
, and
T.
Möller
,
J. Chem. Phys.
123
,
084706
(
2005
).
11.
S. V.
Kilina
,
P. K.
Tamukong
, and
D. S.
Kilin
,
Acc. Chem. Res.
49
,
2127
(
2016
).
12.
C.
Giansante
and
I.
Infante
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
5209
(
2017
).
13.
A. J.
Houtepen
,
Z.
Hens
,
J. S.
Owen
, and
I.
Infante
,
Chem. Mater.
29
,
752
(
2017
).
14.
E.
Cho
,
T.
Kim
,
S.-m.
Choi
,
H.
Jang
,
K.
Min
, and
E.
Jang
,
ACS Appl. Nano Mater.
1
,
7106
(
2018
).
15.
M. V.
Kovalenko
,
M.
Scheele
, and
D. V.
Talapin
,
Science
324
,
1417
(
2009
).
16.
M. T.
Frederick
and
E. A.
Weiss
,
ACS Nano
4
,
3195
(
2010
).
17.
B. M.
Cossairt
,
P.
Juhas
,
S. J. L.
Billinge
, and
J. S.
Owen
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
3075
(
2011
).
18.
S.
Jin
,
R. D.
Harris
,
B.
Lau
,
K. O.
Aruda
,
V. A.
Amin
, and
E. A.
Weiss
,
Nano Lett.
14
,
5323
(
2014
).
19.
J.-Y.
Kim
and
N. A.
Kotov
,
Chem. Mater.
26
,
134
(
2014
).
20.
M. A.
Boles
,
D.
Ling
,
T.
Hyeon
, and
D. V.
Talapin
,
Nat. Mater.
15
,
141
(
2016
).
21.
J. L.
Stein
,
E. A.
Mader
, and
B. M.
Cossairt
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1315
(
2016
).
22.
T.-G.
Kim
,
D.
Zherebetskyy
,
Y.
Bekenstein
,
M. H.
Oh
,
L.-W.
Wang
,
E.
Jang
, and
A. P.
Alivisatos
,
ACS Nano
12
,
11529
(
2018
).
23.
K. E.
Hughes
,
J. L.
Stein
,
M. R.
Friedfeld
,
B. M.
Cossairt
, and
D. R.
Gamelin
,
ACS Nano
13
,
14198
(
2019
).
24.
R.
Toufanian
,
A.
Piryatinski
,
A. H.
Mahler
,
R.
Iyer
,
J. A.
Hollingsworth
, and
A. M.
Dennis
,
Front. Chem.
6
,
567
(
2018
).
25.
E.
Jang
,
Y.
Kim
,
Y.-H.
Won
,
H.
Jang
, and
S.-M.
Choi
,
ACS Energy Lett.
5
,
1316
(
2020
).
26.
F.
Cao
,
S.
Wang
,
F.
Wang
,
Q.
Wu
,
D.
Zhao
, and
X.
Yang
,
Chem. Mater.
30
,
8002
(
2018
).
27.
F.
Pietra
,
L.
De Trizio
,
A. W.
Hoekstra
,
N.
Renaud
,
M.
Prato
,
F. C.
Grozema
,
P. J.
Baesjou
,
R.
Koole
,
L.
Manna
, and
A. J.
Houtepen
,
ACS Nano
10
,
4754
(
2016
).
28.
J. T.
Mulder
,
N.
Kirkwood
,
L.
De Trizio
,
C.
Li
,
S.
Bals
,
L.
Manna
, and
A. J.
Houtepen
,
ACS Appl. Nano Mater.
3
,
3859
(
2020
).
29.
Y.-S.
Park
,
W. K.
Bae
,
L. A.
Padilha
,
J. M.
Pietryga
, and
V. I.
Klimov
,
Nano Lett.
14
,
396
(
2014
).
30.
N. J.
Freymeyer
,
S. M.
Click
,
K. R.
Reid
,
M. F.
Chisholm
,
C. E.
Bradsher
,
J. R.
McBride
, and
S. J.
Rosenthal
,
J. Chem. Phys.
152
,
161104
(
2020
).
31.
P.
Rodosthenous
,
F. M.
Gómez-Campos
, and
M.
Califano
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
10124
(
2020
).
32.
M.
Rusishvili
,
S.
Wippermann
,
D. V.
Talapin
, and
G.
Galli
,
Chem. Mater.
32
,
9798
(
2020
).
33.
Q.
Zhao
and
H. J.
Kulik
,
Chem. Mater.
30
,
7154
(
2018
).
34.
D. C.
Gary
and
B. M.
Cossairt
,
Chem. Mater.
25
,
2463
(
2013
).
35.
P. E.
Chen
,
N. C.
Anderson
,
Z. M.
Norman
, and
J. S.
Owen
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
3227
(
2017
).
36.
A.
Ritchhart
and
B. M.
Cossairt
,
Inorg. Chem.
58
,
2840
(
2019
).
37.
S.-W.
Kim
,
J. P.
Zimmer
,
S.
Ohnishi
,
J. B.
Tracy
,
J. V.
Frangioni
, and
M. G.
Bawendi
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
10526
(
2005
).
38.
J. J.
Buckley
,
E.
Couderc
,
M. J.
Greaney
,
J.
Munteanu
,
C. T.
Riche
,
S. E.
Bradforth
, and
R. L.
Brutchey
,
ACS Nano
8
,
2512
(
2014
).
39.
C. M.
Gentle
,
Y.
Wang
,
T. N.
Haddock
,
C. P.
Dykstra
, and
R. M.
van der Veen
,
J. Phys. Chem. C
124
,
3895
(
2020
).
40.
P.
Ramvall
,
S.
Tanaka
,
S.
Nomura
,
P.
Riblet
, and
Y.
Aoyagi
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1104
(
1998
).
41.
J. O. V.
Monchen
,
R. W.
Crisp
,
G.
Grimaldi
,
H. A. C.
Bergstein
,
I.
du Fossé
,
W.
van der Stam
,
I.
Infante
, and
A. J.
Houtepen
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
15712
(
2018
).
42.
C. F.
Holder
and
R. E.
Schaak
,
ACS Nano
13
,
7359
(
2019
).
43.
A.
Sarkar
,
P.
Mukherjee
, and
P.
Barat
,
Mater. Sci. Eng., A
485
,
176
(
2008
).
44.
Al. L.
Efros
and
M.
Rosen
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1110
(
1997
).
45.
P. A.
Frantsuzov
and
R. A.
Marcus
,
Phys. Rev. B
72
,
155321
(
2005
).
46.
C. D.
Heyes
,
A. Yu.
Kobitski
,
V. V.
Breus
, and
G. U.
Nienhaus
,
Phys. Rev. B
75
,
125431
(
2007
).
47.
M. P.
Hanrahan
,
J. L.
Stein
,
N.
Park
,
B. M.
Cossairt
, and
A. J.
Rossini
,
J. Phys. Chem. C
125
,
2956
(
2021
).
48.
I. A.
Vainshtein
,
A. F.
Zatsepin
, and
V. S.
Kortov
,
Phys. Solid State
41
,
905
(
1999
).
49.
J. E.
Lewis
,
S.
Wu
, and
X. J.
Jiang
,
Nanotechnology
21
,
455402
(
2010
).
50.
M. S.
Gaponenko
,
N. A.
Tolstik
,
A. A.
Lutich
,
A. A.
Onushchenko
, and
K. V.
Yumashev
,
Physica E
53
,
63
(
2013
).
51.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A. V.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
,
A. F.
Izmaylov
,
J. L.
Sonnenberg
,
D.
Williams-Young
,
F.
Ding
,
F.
Lipparini
,
F.
Egidi
,
J.
Goings
,
B.
Peng
,
A.
Petrone
,
T.
Henderson
,
D.
Ranasinghe
,
V. G.
Zakrzewski
,
J.
Gao
,
N.
Rega
,
G.
Zheng
,
W.
Liang
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
K.
Throssell
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M. J.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E. N.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
T. A.
Keith
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A. P.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
C.
Adamo
,
R.
Cammi
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
O.
Farkas
, and
J. B.
Foresman
, and
D. J.
Fox
, Gaussian 16, Revision B.01,
2016
.
52.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
53.
M.
Ernzerhof
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
110
,
5029
(
1999
).
54.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
).
55.
P. T.
Snee
,
J. Phys. Chem. C
125
,
11765
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.