Red Emission from Copper-Vacancy Color Centers in Zinc Sulfide Colloidal Nanocrystals

硫化锌 发光 材料科学 纳米晶 空位缺陷 量子点 带隙 纳米颗粒 电子结构 荧光粉 光致发光 化学物理 纳米技术 光电子学 凝聚态物理 化学 物理 冶金
作者
Sarah Thompson,Cüneyt Şahin,Shengsong Yang,Michael E. Flatté,Christopher B. Murray,Lee C. Bassett,Cherie R. Kagan
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (6): 5963-5973 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c00191
摘要

Copper-doped zinc sulfide (ZnS:Cu) exhibits down-conversion luminescence in the UV, visible, and IR regions of the electromagnetic spectrum; the visible red, green, and blue emission is referred to as R-Cu, G-Cu, and B-Cu, respectively. The sub-bandgap emission arises from optical transitions between localized electronic states created by point defects, making ZnS:Cu a prolific phosphor material and an intriguing candidate material for quantum information science, where point defects excel as single-photon sources and spin qubits. Colloidal nanocrystals (NCs) of ZnS:Cu are particularly interesting as hosts for the creation, isolation, and measurement of quantum defects, since their size, composition, and surface chemistry can be precisely tailored for biosensing and optoelectronic applications. Here, we present a method for synthesizing colloidal ZnS:Cu NCs that emit primarily R-Cu, which has been proposed to arise from the CuZn-VS complex, an impurity-vacancy point defect structure analogous to well-known quantum defects in other materials that produce favorable optical and spin dynamics. First-principles calculations confirm the thermodynamic stability and electronic structure of CuZn-VS. Temperature- and time-dependent optical properties of ZnS:Cu NCs show blueshifting luminescence and an anomalous plateau in the intensity dependence as temperature is increased from 19 K to 290 K, for which we propose an empirical dynamical model based on thermally activated coupling between two manifolds of states inside the ZnS bandgap. Understanding of R-Cu emission dynamics, combined with a controlled synthesis method for obtaining R-Cu centers in colloidal NC hosts, will greatly facilitate the development of CuZn-VS and related complexes as quantum point defects in ZnS.
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