Synthesis of Ag/Mn Co-Doped CdS/ZnS (Core/Shell) Nanocrystals with Controlled Dopant Concentration and Spatial Distribution and the Dynamics of Excitons and Energy Transfer between Co-Dopants

Wonseok Lee, Juwon Oh, Woosung Kwon, Sang Hyeon Lee, Dongho Kim and Sungjee Kim*

 

본 연구진은 망간 이온이 도핑된 양자점 (반도체 나노입자)의 형광 신호를 다른 전이금속인 은 이온을 추가적으로 도핑하여 조절할 수 있음을 확인하였다. CdS/ZnS (핵/껍질) 구조의 양자점을 이용하여 망간 이온과 은 이온이 각각 껍질과 핵에 분리되어 도핑된 양자점을 합성하는데 성공하였고, 망간 이온과 은 이온간의 거리, 도핑 농도 등을 조절하여 두 도펀트 이온간의 상관관계를 시분해분광법을 통해 조사하였다. 산화수가 다른 은 이온 도펀트가 효과적으로 양자점의 엑시톤을 잡아두고 이를 에너지 전이의 형태로 주변의 망간 이온으로 전달하여 망간 이온의 특이적 d-오비탈 스핀 전이에 의한 형광 신호가 증대되며 이 같은 효과가 은 도펀트 이온과 망간 도펀트 이온의 거리가 가까울수록, 은 도펀트 이온의 수가 낮은 농도 수준에서 많을수록 강화됨을 확인하였다. 이러한 발견은 도핑된 양자점의 형광 효율을 산화수가 다른 또다른 전이금속의 도핑을 통하여 제어할 수 있음을 시사하였다. 상기 연구 내용은 미국화학회(ACS)가 발간하는 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재되었다.

 

We report lightly Ag/Mn co-doped CdS/ZnS (core/shell) nanocrystals (NCs) as a model system for studying interactions between co-dopants and between NCs and dopants. The co-doped NCs were prepared with a varying average number of Ag dopant atoms per CdS core of the NC from zero to eight; at the same time, the depth profile of the Mn dopants in the ZnS shells was controlled to be either close to or far from the Ag dopants. The incorporation of an average of one to two Ag dopant atoms per NC increased the band-edge photoluminescence (PL); however, it was quenched at higher doping concentration. This alternation is attributed to change of the Ag ion occupancy from PL-enhancing interstitial sites to PL-quenching substitutional sites. Mn PL increased as the number of Ag atoms per NC increased up to approximately seven and then decreased. For NCs doped only with Ag ions, the Ag dopants in substitutional sites acted as PL-quenching hole traps. In Ag/Mn co-doped NCs, the Ag dopants acted as Dexter-type relay sites that enhanced the energy transfer from NC to Mn ions; this effect increased as the distance between Ag and Mn dopants decreased. This model study demonstrates that the simultaneous control of dopant concentrations and spatial distributions in co-doped semiconductor NCs enables sophisticated control of their optical properties.