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Towards Monodisperse Colloidal Semiconductor Nanocrystals

Applicant Norris David J.
Number 188593
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Professur für Material-Engineering ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.11.2019 - 31.10.2023
Approved amount 1'200'000.00
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All Disciplines (3)

Material Sciences
Condensed Matter Physics
Microelectronics. Optoelectronics

Keywords (5)

semiconductor nanocrystals; magic-sized clusters; semiconductor nanoplatelets; optical materials; colloidal quantum dots

Lay Summary (German)

Das Ziel dieses Projektes ist es herauszufinden, inwieweit Halbleiter-Nanopartikeln (Nanokristalle) mit identischer Grösse und Form chemisch hergestellt werden können
Lay summary

Kugelförmige-Halbleiter-Nanokristalle, auch bekannt als Quantenpunkte (‘Quantum Dots’), wurden bisher am intensivsten erforscht und finden heute als fluoreszierende Materialien kommerzielle Verwendung. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist es schwierig, Quantenpunkte mit identischer Grösse herzustellen. Die Grössenverteilung von Quantenpunkte limitiert die Reinheit ihrer emittierten Farbe und beeinträchtigt dadurch die Performance in Anwendungen wie Flachbildfernsehern oder Einzelphotonenquellen.

Das Projektteam wird versuchen, dieses Problem zu lösen, indem es zwei verwandte Klassen von Nanokristallen untersucht. Bereits heute kann man dünne, rechteckige Halbleiter-Nanokristalle mit gleicher atomaren Dicke herstellen. Dank ihrer verblüffend homogenen Dicke, weisen diese Nanoplättchen (‘Nanoplatelets’) eine drastisch verbesserten Farbreinheit auf. Die Gruppe des Stipendiaten hat vor kurzem ein Modell entwickelt, das die Entstehung und das Wachstum solcher Nanoplättchen erklärt. Das Projektteam wird dieses Modell weiterverwenden, um Nanoplättchen aus neuen Materialien herzustellen. Als zweite Klasse von Nanokristallen wird das Team sogenannte ‘Cluster magischer Grösse’ (‘Magic-sized Clusters’) untersuchen und ihre Verbindung zu Nanoplättchen ergründen. Man betrachtet diese als spezifische (‘magische’) Anordnungen (Clusters) von Halbleiteratomen, die eine stabile Struktur bilden. Diese Kristalle werden seit mehreren Jahrzehnten erforscht, jedoch bleibt bis heute unklar, weshalb diese Cluster entstehen. Klar ist, dass die chemischen Bedingungen, welche zur Bildung von ‘Cluster magischer Grösse’ führen, derjenigen von Nanoplättchen ähneln. Ein besseres Verständnis der Eigenschaften von Clustern, würde ihre Anwendung als Nanomaterial mit außergewöhnliche Farbreinheit ermöglichen.

Drei Doktoranden und ein Postdoktorand werden sich mit der chemischen Synthese, Strukturanalyse und optischen Charakterisierung dieser Materialien befassen. Das Projekt hat auch eine theoretische Komponente. Ziel ist es, das Kristallwachstum anhand analytischer Modelle und Simulationen zu ergründen. Das Projekt dient nicht nur der Ausbildung der Teammitglieder, sondern erforscht das Wachstum von Nanokristalle. Zudem geht es der Frage nach, inwieweit Nanokristallen mit homogener Größe und Form chemisch hergestellt werden können.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.10.2019

Responsible applicant and co-applicants


Associated projects

Number Title Start Funding scheme
140617 Electronic Impurity Doping of Semiconductor Nanocrystals 01.05.2012 Project funding (Div. I-III)
159228 Electronic Impurity Doping of Semiconductor Nanocrystals II 01.05.2015 Project funding (Div. I-III)


This project aims to investigate the limits of chemical synthesis in preparing nanometer-scale semiconductor particles (nanocrystals) that are identical in size and shape (i.e. monodisperse). The most commonly studied class of such nanocrystals, quasi-spherical particles known as colloidal quantum dots (cQDs), are now commercially used as fluorescent materials. However, despite decades of research, state-of-the-art samples still exhibit a distribution in size. This limits their spectral purity, affecting performance in applications from displays to single-photon sources. A decade ago, a new type of semiconductor nanocrystal with a thin rectangular shape (nanoplatelets, NPLs) was reported. Amazingly, NPL samples can be synthesized in which all particles have the same atomic-scale thickness. This monodispersity in one dimension leads to dramatically improved optical properties. It also suggests that routes to monodisperse samples can exist. To explore this possibility, the growth mechanism that leads to NPLs must be understood. Recently, the applicant’s group introduced a quantitative model that explains NPL formation. It immediately resolved many puzzles observed in experiments. More importantly, it can now be applied to prepare a larger range of nanoplatelet materials. This project will pursue this goal.In parallel, the proposed team will examine the connection to another special class of semiconductor nanocrystals, “magic-sized clusters” (MSCs). MSCs have a long history in colloidal nanomaterials. They are commonly believed to be molecular-scale arrangements (i.e. clusters) of semiconductor atoms with a specific (i.e. “magic”) structure that exhibits enhanced stability. Consequently, a MSC sample should in principle be monodisperse in size and shape. However, the formation mechanism remains unclear, in particular considering recent experiments that track the evolution of MSCs to sizes well beyond the “cluster” regime. Because these MSCs form under conditions similar to NPLs, this project will explore connections between the two materials. The final goal is to create a universal model that can explain NPL, MSC, and cQD growth. Along the way, new MSCs will be prepared and their photophysics examined, including the influence of residual polydispersity on their properties.Within this project, the applicant will guide three doctoral students and a postdoctoral researcher. Experimental work will include chemical synthesis, structural analysis using electron microscopy and X-ray diffraction, and optical characterization via ensemble and single-particle spectroscopy. Theoretical work will involve the development of analytical models, determination of key parameters using density functional theory (DFT), and simulation of growth with kinetic Monte Carlo methods. The team will leverage an ongoing collaboration with a computational condensed-matter theorist, Prof. Giulia Galli from the University of Chicago. In addition to training the team members, the expected outcome of this project will be a better understanding of: (i) the nanocrystal growth process and (ii) the limits of chemical synthesis for obtaining nanocrystals that are homogeneous in size and shape.