journal-opt - abstr62-86

DOI:

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 61, 62-86 (2026)

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

SYNTHESIS METHODS AND OPTICAL PROPERTIES OF CuInS2 TRIPLE SEMICONDUCTOR COMPOUNDS (REVIEW)

This review is dedicated to the analysis of modern synthesis methods and the investigation of the unique optoelectronic properties of copper indium sulfide CuInS2 (CIS) nanocrystals. CIS compounds belong to the group of I–III–VI ternary semiconductors and are considered an environmentally friendly alternative to traditional cadmium- and lead-based quantum dots (QDs) due to their low toxicity and high biocompatibility.

The paper classifies the main synthesis strategies: organic synthesis (hot-injection, solvothermal, and thermal decomposition methods), which ensures high product crystallinity; aqueous synthesis (hydrothermal, microwave, and biomimetic), distinguished by its eco-friendliness and simplicity; and the rapid solvent-free mechanochemical method.

Special attention is paid to optical characteristics: CIS absorption spectra typically lack clear excitonic peaks and exhibit pronounced Urbach tails caused by lattice defects. CIS photoluminescence (PL) is characterized by a large Stokes shift (200–800 meV) and significant peak widths (FWHM), which are explained by recombination mechanisms through defect states, specifically donor-acceptor pairs (DAP) or confined hole states (CHS).

Methods for increasing the photoluminescence quantum yield (PLQY) are reviewed, including surface passivation with wide-bandgap semiconductor shells (ZnS, CdS) and the implementation of gradient shells (InSx/ZnxGa1-xS), which allow for a record efficiency of up to 89% and a narrowing of the emission spectrum. Finally, the potential applications of CIS in bioimaging, quantum dot-sensitized solar cells (QDSSCs), light-emitting diodes (LEDs), and photocatalysis are summarized.

Keywords: ternary quantum dots, CuInS2, synthesis methods, photoluminescence, Stokes shift, surface passivation, bioimaging.

PDF

References

1. Burgos-Caminal A., Vale B.R.C., Fonseca A.F.V., Collet E.P.P., Hidalgo J.F., García L., Watson L., Borrell-Grueiro O., Corrales M.E., Choi T.-K., Katayama T., Fan D., Vega-Mayoral V., Garcia-Orrit S., Nozawa S., Penfold T.J., Cabanillas-González J., Adachi S.-I., Bañares L., Nogueira A.F., Padilha L.A., Schiavon M.A., Gawelda W. Selective Tracking of Charge Carrier Dynamics in CuInS2 Quantum Dots. ACS Nano. 2025. 19. P. 21950–21961. DOI: 10.1021/acsnano.4c18469.

2. May B.M., Bambo M.F., Hosseini S.S., Nxumalo E.N., Sidwaba U., Mishra A.K. A review on I–III–VI ternary quantum dots for fluorescence detection of heavy metals ions in water: optical properties, synthesis and application. RSC Advances. 2022. 12. P. 11216–11232. DOI: 10.1039/d1ra08660j.

3. Ming S.-K., Taylor R.A., Lewis D.J., Leontiadou M.A., McNaughter P.D., O’Brien P. Tunable structural and optical properties of CuInS2 colloidal quantum dots as photovoltaic absorbers. RSC Advances. 2021. 11. P. 21351–21362. DOI: 10.1039/d1ra03659a.

4. Li H., Jiang X., Wang A., Chu X., Du Z. Simple Synthesis of CuInS2/ZnS Core/Shell Quantum Dots for White Light-Emitting Diodes. Frontiers in Chemistry. 2020. 8. P.669. DOI: 10.3389/fchem.2020.00669.

5. Eliasson N., Rimgard B.P., Castner A., Tai C.-W., Ott S., Tian H., Hammarström L. Ultrafast Dynamics in Cu-Deficient CuInS2 Quantum Dots: Sub-Bandgap Transitions and Self-Assembled Molecular Catalysts. The Journal of Physical Chemistry C. 2021. 125. P. 14751–14764. DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c02468.

6. Korepanov O., Aleksandrova O., Botnar A., Firsov D., Kalazhokov Z., Kirilenko D., Lemeshko P., Matveev V., Mazing D., Moskalenko I., Novikov A., Ulasevich S., Moshnikov V. Polyvinylpyrrolidone-Capped CuInS2 Colloidal Quantum Dots: Synthesis, Optical and Structural Assessment. Colloids and Interfaces. 2025. 9. P.33. DOI: 10.3390/colloids9030033.

7. Arriaza-Echanes C., Campo-Giraldo J.L., Quezada C.P., Espinoza-González R., Rivas-Álvarez P., Pacheco M., Bravo D., Pérez-Donoso J.M. Biomimetic synthesis of CuInS2 nanoparticles: Characterization, cytotoxicity, and application in quantum dots sensitized solar cells. Arabian Journal of Chemistry. 2021. 14. P.103176. DOI: 10.1016/j.arabjc.2021.103176.

8. Morselli G., Gradone A., Morandi V., Ceroni P. Light-harvesting antennae based on copper indium sulfide (CIS) quantum dots. Nanoscale. 2022. 14. P.3013–3019. DOI: 10.1039/d2nr00558a.

9. Dutková E., Daneu N., Lukáčová Bujňáková Z., Baláž M., Kováč J., Kováč J.Jr., Baláž P. Mechanochemical Synthesis and Characterization of CuInS2/ZnS Nanocrystals. Molecules. 2019. 24. P.1031. DOI: 10.3390/molecules24061031.

10. Long F., Wang W.-M., Tao H.-C., Jia T.-K., Li X.-M., Zou Z.-G., Fu Z.-Y. Solvothermal synthesis, nanocrystal print and photoelectrochemical properties of CuInS2 thin film. Materials Letters. 2010. 64. P. 195–198. DOI: 10.1016/j.matlet.2009.10.044.

11. Guan X., Zhang L., Lai S., Zhang J., Wei J., Wang K., Zhang W., Li C., Tong J., Lei Z. Green synthesis of glyco-CuInS2 QDs with visible/NIR dual emission for 3D multicellular tumor spheroid and in vivo imaging. Journal of Nanobiotechnology. 2023. 21. P.118. DOI: 10.1186/s12951-023-01859-6.

12. Wang K., Zhao K., Cao S., Li Z., Yang W., Zheng J., Fu H. Chemical stoichiometry and gradient shell engineering for highly-efficient narrow near-band-edge emission in CuInS2 quantum dots. Nano Materials Science. 2026. 8. P. 59–68. DOI: 10.1016/j.nanoms.2024.06.008.

13. Bagnall A.J., Eliasson N., Hansson S., Chavarot-Kerlidou M., Artero V., Tian H., Hammarström L. Ultrafast Electron Transfer from CuInS2 Quantum Dots to a Molecular Catalyst for Hydrogen Production: Challenging Diffusion Limitations. ACS Catalysis. 2024. 14. P. 4186–4201. DOI: 10.1021/acscatal.3c06216.

14. An X., Zhang Y., Wang J., Kong D.-M., He X.-W., Chen L., Zhang Y. The Preparation of CuInS2–ZnS–Glutathione Quantum Dots and Their Application on the Sensitive Determination of Cytochrome c and Imaging of HeLa Cells. ACS Omega. 2021. 6. P. 17501–17509. DOI: 10.1021/acsomega.1c01983.

15. Korepanov O., Kozodaev D., Aleksandrova O., Bugrov A., Firsov D., Kirilenko D., Mazing D., Moshnikov V., Shomakhov Z. Temperature- and Size-Dependent Photoluminescence of CuInS2 Quantum Dots. Nanomaterials. 2023. 13. P.2892. DOI: 10.3390/nano13212892.

16. Burgos-Caminal A., Vale B.R.C., Fonseca A.F.V., Hidalgo J.F., Collet E.P.P., García L., Vega-Mayoral V., Garcia-Orrit S., Arnay I., Cabanillas-González J., Simonelli L., Nogueira A.F., Schiavon M.A., Penfold T.J., Padilha L.A., Gawelda W. Unveiling Zn incorporation in CuInS2 quantum dots: X-ray and optical analysis of doping effects, structural modifications and surface passivation. Chemistry of Materials. March 9, 2026. 38, №6. DOI: 10.48550/arXiv.2507.11338.

17. Islas-Rodriguez N., Muñoz R., Rodriguez J.A., Vazquez-Garcia R.A., Reyes M. Integration of ternary I–III–VI quantum dots in light-emitting diodes. Frontiers in Chemistry. 2023. 11. P.1106778. DOI: 10.3389/fchem.2023.1106778.

18. Onwudiwe D.C., Oyewo O.A., Seheri N.H., Motaung M.P., Makgato S.S., Motshekga S.C. Synthesis of CuInS2 nanoparticles and application in the photocatalytic degradation of tetracycline. Journal of Photochemistry and Photobiology. 2023. 18. P.100212. DOI: 10.1016/j.jpap.2023.100212.

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

Методи синтезу та оптичні характеристики потрійних напівпровідникових сполук CuInS2 (огляд).

Даний огляд присвячений аналізу сучасних методів отримання та дослідженню унікальних оптоелектронних властивостей нанокристалів сульфіду міді-індію CuInS2 (CIS). Сполуки CIS належать до потрійних напівпровідників групи I–III–VI та розглядаються як екологічно безпечна альтернатива традиційним квантовим точкам на основі кадмію та свинцю завдяки їхній низькій токсичності та високій біосумісності.

У роботі класифіковано основні стратегії синтезу: органічний синтез (методи гарячої ін'єкції, сольвотермальний та термічне розкладання), що забезпечує високу кристалічність продукту; водний синтез (гідротермальний, мікрохвильовий та біоміметичний), який вирізняється екологічністю та простотою; а також швидкий механохімічний метод без використання розчинників.

Особливу увагу приділено оптичним характеристикам: спектри поглинання CIS зазвичай позбавлені чітких екситонних піків і мають виражені «хвости» Урбаха, зумовлені дефектами решітки. Фотолюмінесценція (PL) CIS характеризується великим стоксовим зсувом (200–800 меВ) та значною напівшириною піків, що пояснюється механізмами рекомбінації через дефектні стани (донорно-акцепторні пари або локалізовані дірки).

Розглянуто методи підвищення квантового виходу (PLQY) шляхом пасивації поверхні оболонками широкозонних напівпровідників (ZnS, CdS) та впровадження градієнтних оболонок (InSx/ZnxGa1-xS), що дозволяють досягти рекордної ефективності до 89% та звуження спектра випромінювання. На завершення підсумовано потенціал застосування CIS у біовізуалізації, сонячних елементах (QDSSCs), світлодіодах (LED) та фотокаталізі.

Ключові слова: потрійні квантові точки, CuInS2, методи синтезу, фотолюмінесценція, стоксовий зсув, пасивація поверхні, біовізуалізація.

Back / Повернутися