journal-opt - abstr22-49

https://doi.org/10.15407/iopt.2025.60.022

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 60, 22-49 (2025)

D. V. Korbutyak, O. G. Kosinov, B. N.Kulchytskyi, Yu. P. Kyiak

SYNTHESIS TECHNOLOGY AND PRACTICAL USE OF PbS AND PbSe QUANTUM DOTS (REVIEW)

This review is dedicated to quantum dots (QDs) based on lead sulfide (PbS) and lead selenide (PbSe). These semiconductor nanocrystals exhibit unique electronic and optical properties due to the quantum confinement effect, which differ from the properties of bulk materials. The properties of QDs depend on their size, shape, and composition, allowing for the tuning of the band gap energy and the wavelength of absorption/emission. PbS and PbSe QDs are valuable due to their small effective charge carrier mass, large exciton Bohr radius, and the ability to operate in the near and mid-infrared (NIR and MIR) spectral regions. This makes them promising for applications in solar cells, light-emitting diodes (QLEDs), photodetectors, biosensors, and thermoelectric devices.

The review discusses synthesis methods in detail. The hot injection method is highlighted as one of the most established methods for obtaining high-quality QDs with a narrow size distribution. A classical protocol for the synthesis of PbS QDs by this method using oleic acid and lead oxide/bis(trimethylsilyl)sulfide precursors is described. The "heat-up synthesis" method is also mentioned. Photochemical, bacterial, and microwave-activated approaches are also noted. For the synthesis of PbSe QDs, the hot injection method is also widely used with various selenium precursors. Size control is critically important and depends on temperature, reaction time, precursor type, and ligands.

Various characterization methods are used to understand the properties of QDs.

Practical applications of PbS and PbSe QDs are discussed. PbS QDs are promising for solar cells due to broad absorption, including the NIR region. Research has shown the dependence of the efficiency of solar cells based on them on synthesis conditions and precursors. PbS QDs are also used to create infrared light-emitting diodes (NIR- QLEDs), where charge carrier diffusion and photoluminescence quantum yield are important. The influence of ligands and a perovskite matrix on QLEDs efficiency is shown. Furthermore, PbS QDs are used in photodetectors and single-electron transistors. PbSe QDs also have potential in solar cells, QLEDs, and photodetectors for the longer NIR region.

To improve the properties of QDs, the formation of core-shell structures (PbS/CdS, PbSe/CdSe) is used. This increases PL QY and stability. Cation exchange and SILAR methods for shell formation are discussed. Surface modification and ligand exchange play a crucial role in stability, solubility, and charge transport. Stability is a critical factor for applications, and shell formation and appropriate ligands help protect QDs from degradation.

Despite significant progress, challenges exist related to stability, toxicity, and production scaling. Further research in the development of new synthesis methods and surface passivation remains important.

Keywords:quantum dot, lead chalcogenides, synthesis, optical absorption, luminescence, LED, photodetector, solar energy.

PDF

References

1. C. R. Kagan, E. Lifshitz, E. H. Sargent and D. V. Talapin. Building devices from colloidal quantum dots. Science. 2016. Р.353. DOI: 10.1126/science.aac5523.

https://doi.org/10.1126/science.aac5523

2. Shiping Wei, Ce Guo, Lijuan Wang, Jiangfeng Xu, Hailiang Dong. Bacterial synthesis of PbS nanocrystallites in one-step with l-cysteine serving as both sulfur source and capping ligand. Scientific Reports. 2021. 11. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80450-7.

https://doi.org/10.1038/s41598-020-80450-7

3.Ramphal Sharma, Avinash S. Dive, S. H. Han. Influence of annealing on chemically grown PbS thin films and its DFT study. AIP Conf. Proc. 2020. 2265. 030326. https://doi.org/10.1063/5.0016614.

https://doi.org/10.1063/5.0016614

4.Sijie Zhou, Zeke Liu, Yongjie Wang, Kunyuan Lu, Fan Yang, Mengfan Gu, Yalong Xu, Si Chen, Xufeng Ling, Yannan Zhang, Fangchao Li, Jianyu Yuan, Wanli Ma, Towards scalable synthesis of high-quality PbS colloidal quantum dots for photovoltaic applications. Journal of Materials Chemistry C. 2019. DOI: 10.1039/c8tc05353g.

https://doi.org/10.1039/C8TC05353G

5.Haochen Liu, Huaying Zhong, Fankai Zheng, Yue Xie, Depeng Li, Dan Wu, Ziming Zhou, Xiao Wei Sun, and Kai Wang, Near-Infrared Lead Chalcogenide Quantum Dots: Synthesis and Applications in Light Emitting Diodes. Chinese Phys. B. 2019. https://doi.org/10.1088/1674-1056/ab50fa.

https://doi.org/10.1088/1674-1056/ab50fa

6. P. Stadler, S. A. Mohamed, J. Gasiorowski, M. Sytnyk, S. Yakunin, M. C. Scharber, C. Enengl, S. Enengl, D. A. Egbe, M. K. El-Mansy, S. S. Obayya, N. S. Sariciftci, K. Hingerl and W. Heiss. Iodide-capped PbS quantum dots: full optical characterization of a versatile absorber. Adv Mater. 2015.27.Р.1533-1539. DOI:10.1002/adma.201404921.

https://doi.org/10.1002/adma.201404921

7.Christian J. Imperiale, Francisco Yarur Villanueva, Ehsan Nikbin, Jane Y. Howe, Mark W. B. Wilson. Direct Synthesis of Ultrasmall PbS Nanocrystals Passivated with a Metal-Halide-Perovskite-like Monolayer. Chem. Mater. 2024. 36, №9. Р.4121-4134. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01814.

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01814

8. Z. Ning, H. Dong, Q. Zhang, O. Voznyy and E. H. Sargent. Counterion-Mediated Ligand Exchange for PbS Colloidal Quantum Dot Superlattices. ACS Nano. 2014. 8.Р. 10321-10327. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b04547.

https://doi.org/10.1021/acsnano.5b04547

9. Zhen Huang, Guangmei Zhai, Zhiming Zhang, Changwang Zhang, Yong Xia, Linyuan Lian, Xiaoming Fu, Daoli Zhang, Jianbing Zhang. Low cost and large scale synthesis of PbS quantum dots with hybrid surface passivation. CrystEngComm. 2017. DOI: 10.1039/C6CE02471H.

https://doi.org/10.1039/C6CE02471H

10. Jianbing Zhang, Jianbo Gao, Elisa M. Miller, Joseph M. Luther, Matthew C. Beard. Diﬀusion-Controlled Synthesis of PbS and PbSe Quantum Dots with in Situ Halide Passivation for Quantum Dot Solar Cells. 2017. 10.1021/nn405236k.

11. Yarema M., Yarema O., Lin W. M. M., Volk S., Yazdani N., Bozyigit D. and Wood V. Upscaling Colloidal Nanocrystal Hot-Injection Syntheses via Reactor Underpressure. Chemistry of Materia. 2017. 29, №2. Р.796-803. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b04789.

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b04789

12. Mehdi Molaei, Masoud Karimipour, Samaneh Abbasi, Mohammad Khanzadeh, Masoud Dehghanipour. PbS and PbS/CdS quantumdots: Synthesized by photochemical approach, structural, linear and nonlinear response properties, and optical limiting. Materials Research. 2020. DOI: 10.1557/jmr.2020.17.

https://doi.org/10.1557/jmr.2020.17

13. Dmitri V. Talapin, Christopher B. Murrayб. PbSe nanocrystal solids for n- and p-channel thin film field-effect transistors. Science. 7 Oct. 2005. 310. Issue 5745. Р. 86-89. DOI: 10.1126/science.1116703.

https://doi.org/10.1126/science.1116703

14. Long Hua, Shujuan Huangb, Robert Pattersonb, Jonathan E. Halpert. Enhanced mobility in PbS quantum dot films via PbSe quantum dot mixing for optoelectronic applications. J. Mater. Chem. C. 2019. DOI: 10.1039/C8TC06495D.

https://doi.org/10.1039/C8TC06495D

15. Yufeng Zhou, Daniele Benetti, Zhiyuan Fan, Haiguang Zhao, Dongling Ma, Alexander O. Govorov, Alberto Vomiero, Federico Rosei, Near Infrared. Highly Efﬁ- cient Luminescent Solar Concentrators. Adv. Energy Mater. 2016. 6. 1501913. DOI: 10.1002/aenm.201501913.

https://doi.org/10.1002/aenm.201501913

16. Pip C. J. Clark, Hanna Radtke, Atip Pengpad, Andrew I. Williamson, Ben F. Spencer, Samantha J.O. Hardman, Marina A. Leontiadou, Darren C. J. Neo, Simon M. Fairclough, Andrew A. R. Watt, Igor Pis, Silvia Nappini, Federica Bondino, Elena Magnano, Karsten Handrup, Karina Schulte, Mathieu G. Silly, Fausto Sirotti, Wendy R. Flavell. The passivating eﬀect of cadmium in PbS/CdS colloidal quantum dots probed by nm-scale depth proﬁling. Nanoscale. 2017. 9, 6056. DOI: 10.1039/c7nr00672a.

https://doi.org/10.1039/C7NR00672A

17. Mingjian Yuan, Mengxia Liu, Edward H. Sargent, Colloidal quantum dot solids for solution-processed solar cells. Nature Energy. March 2016. 1. DOI: 10.1038/NENERGY.2016.16.

https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.16

18. C.-H. M. Chuang, P. R. Brown, V. Bulovic and M. G. Bawendi. Improved performance and stability in quantum dot solar cells through band alignment engineering. Nat. Mater. 2014. 13. Р.796-801. https://doi.org/10.1038/nmat3984.

https://doi.org/10.1038/nmat3984

19. X. Gong, Z. Yang, G. Walters, R. Comin, Z. Ning, E. Beauregard, V. Adinolfi, O. Voznyy and E. H. Sargent. Highly efficient quantum dot near-infrared light-emitting diodes. Nat. Photon. 2016. 10. Р.253-257. DOI: https://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.11.

https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.11

20. Kenji Shibata, Masaki Yoshida, Kazuhiko Hirakawa, Tomohiro Otsuka, Satria Zulkarnaen Bisri, Yoshihiro Iwasa. Single PbS colloidal quantum dot transistors. Nature Communications.2023.14, Article number: 7486. https://doi.org/10.1038/s41467-023-43343-7.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43343-7

21. Sweety Sarma, Pranayee Datta, Kishore Kr. Barua, and Sanjib Karmakar. Synthesis, Characterization and Application Of PbS Quantum Dots. AIP Conf. Proc. 2009.1147.Р.436-442. https://doi.org/10.1063/1.3183470.

https://doi.org/10.1063/1.3183470

Д.В.Корбутяк, О.Г.Косінов, Б.Н.Кульчицький, Ю.П.Кияк

ТЕХНОЛОГІЯ СИНТЕЗУ ТА ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ КВАНТОВИХ ТОЧОК PbS ТА PbSe (ОГЛЯД)

Огляд присвячений квантовим точкам (КТ) на основі сульфіду свинцю (PbS) та селеніду свинцю (PbSe). Ці напівпровідникові нанокристали проявляють унікальні електронні та оптичні властивості завдяки ефекту квантового обмеження, що відрізняються від властивостей об'ємних матеріалів. Властивості КТ залежать від розміру, форми та складу, дозволяючи налаштовувати енергію забороненої зони та довжину хвилі поглинання/випромінювання. КТ PbS та PbSe цінні завдяки малій ефективній масі носіїв заряду, великому борівському радіусу екситона та здатності працювати в ближній та середній інфрачервоній (NIR та MIR) областях спектра. Це робить їх перспективними для застосувань у сонячних елементах, світлодіодах (LEDs), фотодетекторах, біосенсорах та термоелектричних пристроях.

В огляді описано методи синтезу, серед яких слід виділити метод гарячої інжекції як один з найбільш поширених для отримання високоякісних КТ з вузьким розподілом за розмірами. Описано класичний протокол синтезу PbS КТ цим методом з використанням олеїнової кислоти та прекурсорів оксиду свинцю/біс(триметилсиліл)сульфіду.Також згадуються метод "нагрівання", фотохімічний, бактеріальний та мікрохвильово-активований підходи. Для синтезу PbSe КТ також широко використовується метод гарячої інжекції з різними прекурсорами селену. Розмір КТ залежить від температури, часу реакції, типу прекурсорів та лігандів.

Обговорюються практичні застосування КТ PbS та PbSe. КТ PbS перспективні для сонячних елементів завдяки широкому поглинанню, включаючи NIR область. Дослідження показали залежність ефективності сонячних елементів на їх основі від умов синтезу та прекурсорів. КТ PbS також використовуються для створення інфрачервоних світлодіодів (NIR-LEDs), де важливими є дифузія носіїв та квантовий вихід фотолюмінесценції. Показано вплив лігандів та перовскітної матриці на ефективність LEDs. Крім того, КТ PbS застосовуються у фотодетекторах та одноелектронних транзисторах. КТ PbSe також мають потенціал використання у сонячних елементах, LEDs та фотодетекторах для довшої NIR області. Для покращення властивостей КТ використовують формування структур ядро-оболонка (PbS/CdS, PbSe/CdSe), що збільшує інтенсивність PL QY та стабільність. Обговорюються методи катіонного обміну та SILAR для формування оболонки. Модифікація поверхні та обмін лігандів відіграють вирішальну роль у стабільності, розчинності та транспорті заряду. Стабільність є критичним фактором для застосувань, і формування оболонки та відповідні ліганди допомагають захистити КТ від деградації.

Незважаючи на значний прогрес, існують виклики, пов'язані зі стабільністю, токсичністю та масштабуванням виробництва. Подальші дослідження у розробці нових методів синтезу та пасивації поверхні залишаються важливими

Ключові слова: квантова точка, халькогеніди свинцю, синтез, оптичне поглинання, люмінесценція, світлодіод, фотодетектор, сонячна енергетика.

Back / Повернутися