Collective topo-epitaxy in the self-assembly of a 3D quantum dot superlattice

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作者
Alex Abelson,Caroline Qian,Trenton Salk,Zhongyue Luan,Kan Fu,Jian‐Guo Zheng,Jenna L. Wardini,Matt Law
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:19 (1): 49-55 被引量:107
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0485-2
摘要

Epitaxially fused colloidal quantum dot (QD) superlattices (epi-SLs) may enable a new class of semiconductors that combine the size-tunable photophysics of QDs with bulk-like electronic performance, but progress is hindered by a poor understanding of epi-SL formation and surface chemistry. Here we use X-ray scattering and correlative electron imaging and diffraction of individual SL grains to determine the formation mechanism of three-dimensional PbSe QD epi-SL films. We show that the epi-SL forms from a rhombohedrally distorted body centred cubic parent SL via a phase transition in which the QDs translate with minimal rotation (~10°) and epitaxially fuse across their {100} facets in three dimensions. This collective epitaxial transformation is atomically topotactic across the 103–105 QDs in each SL grain. Infilling the epi-SLs with alumina by atomic layer deposition greatly changes their electrical properties without affecting the superlattice structure. Our work establishes the formation mechanism of three-dimensional QD epi-SLs and illustrates the critical importance of surface chemistry to charge transport in these materials. A structural investigation on the formation of 3D superlattices of colloidal PbSe quantum dots reveals a topotactic transition from the self-assembled phase of ligand-capped quantum dots to the epitaxially fused phase typical of conductive solids.
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