Colloidal Synthesis of InAs Nanocrystals: from Clusters to Ultra-Large Quantum Dots, InAs/ZnS Quantum Dots with Improved Photoluminescence, and Luminescent `Giant` Shell InAs/ZnSe/ZnS Quantum Dots via `Green` Routes

Abstract

This work makes a significant contribution to expanding the available nanoparticle sizes and spectral range of RoHS-compliant colloidal indium arsenide (InAs) quantum dots (QDs) and InAs clusters, as well as to expanding the material portfolio of luminescent InAs QDs. All syntheses were carried out using non-pyrophoric, commercially available `green` precursors.

The absorption edge of the colloidal InAs QDs was successfully shifted into the mid-infrared (MIR) range above ~2,600 nm, with particle sizes of up to 40 nm on average, exceeding the previously reported values by a factor of about three. Colloidal synthesis of such large nanoparticles was previously considered to be unattainable. Additionally, a novel synthesis approach – seedless growth – has been developed in this work.

It was possible to synthesize InAs clusters via a `green` route for the first time, without the use of pyrophoric precursors. In addition, ultra-small, ultraviolet-active structures were observed. By heating the clusters, small monodisperse InAs QDs were synthesized.

Furthermore, luminescent, RoHS-compliant indium arsenide/zinc sulfide (InAs/ZnS) core/shell QDs were developed. Photoluminescence quantum yield (PL QY) of ~48% at an emission wavelength of ~1,000 nm was achieved, surpassing literature values by a factor of about four. Additionally, the first `green` synthesis route for luminescent `giant` shell indium arsenide/zinc selenide/zinc sulfide (InAs/ZnSe/ZnS) QDs was demonstrated.

Overall, the results of this work open up new horizons for both fundamental research and practical applications of III-V QDs and clusters, overcoming synthetic challenges that have persisted for decades, and advancing the development of eco-friendly, low-cost (infrared) quantum materials of the next generation.

Diese Arbeit leistet einen signifikanten Beitrag zur Erweiterung der verfügbaren Partikelgröße und des Spektralbereichs RoHS-konformer kolloidaler Indiumarsenid (InAs) Quantenpunkte (engl. quantum dots, QDs) und InAs Cluster, sowie zur Erweiterung des Materialportfolios lumineszenter InAs QDs. Alle Syntheserouten wurden gezielt unter Verwendung kommerziell erhältlicher, nicht-pyrophorer „grüner“ Vorläufer entwickelt.

Im Rahmen der Arbeit konnte die Absorptionskante von kolloidalen InAs QDs erfolgreich in den mittleren Infrarotbereich über ~2600 nm verschoben werden. Dies geschah durch erfolgreiche Synthese großer InAs QDs mit mittleren Partikeldurchmessern von bis zu 40 nm, was die bisher berichteten Werte um rund das Dreifache übertrifft. Kolloidale Synthese solch großer Nanopartikel galt bisher als unrealisierbar. Es wurde darüber hinaus eine neue kolloidale Synthesemethode – seedless growth – entwickelt.

Des Weiteren gelang es, InAs Cluster durch eine „grüne“ Synthese ohne Verwendung pyrophorer Substanzen herzustellen. Auch wurden ultrakleine, ultraviolett-aktive Strukturen erhalten. Durch Hochheizen der Cluster konnten kleine monodisperse InAs QDs hergestellt werden.

Darüber hinaus wurden RoHS-konforme lumineszierende Indiumarsenid/Zinksulfid (InAs/ZnS) Kern/Schale-Partikel mit einer Photolumineszenz-Quantenausbeute (engl. photoluminescence quantum yield, PL QY) von ~48% bei einer Emissionswellenlänge von ~1000 nm synthetisiert. Dies übertrifft die bisher berichteten Literaturwerte für InAs/ZnS QDs um rund das Vierfache. Zudem wurde die erste „grüne“ Syntheseroute lumineszenter „giant“ shell Indiumarsenid/Zinkselenid/Zinksulfid (InAs/ZnSe/ZnS) QDs demonstriert.

Insgesamt eröffnen die Ergebnisse dieser Arbeit neue Ansätze sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für praktische Anwendungen von III-V QDs und Clustern. Sie tragen maßgeblich zur Entwicklung umweltfreundlicher, kostengünstiger (infraroter) Quantenmaterialien der nächsten Generation bei.