Abstract

We demonstrate wavelength-tunable, air-stable and nontoxic phosphor materials based on silicon quantum dots (SiQDs). The phosphors, which are composed of micrometer-size silicon particles with attached SiQDs, are synthesized by an electrochemical etching method under ambient conditions. The photoluminescence (PL) peak wavelength can be controlled by the SiQD size due to quantum confinement effect, as well as the surface passivation chemistry of SiQDs. The red-emitting phosphors have PL quantum yield equal to 17%. The SiQD-phosphors can be embedded in polymers and efficiently excited by 405 nm light-emitting diodes for potential general lighting applications.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. T. Erdem and H. V. Demir, Nat. Photonics 5, 126 (2011).
    [CrossRef]
  2. H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
    [CrossRef]
  3. W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
    [CrossRef]
  4. C.-C. Tu, Q. Zhang, L. Y. Lin, and G. Cao, Opt. Express 20, A69 (2012).
    [CrossRef]
  5. J. G. C. Veinot, Chem. Commun. 41, 4160 (2006).
    [CrossRef]
  6. G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
    [CrossRef]
  7. J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
    [CrossRef]
  8. A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
    [CrossRef]
  9. S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
    [CrossRef]
  10. K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
    [CrossRef]
  11. J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
    [CrossRef]
  12. M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
    [CrossRef]
  13. Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
    [CrossRef]
  14. J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
    [CrossRef]
  15. K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
    [CrossRef]

2012 (1)

2011 (2)

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

T. Erdem and H. V. Demir, Nat. Photonics 5, 126 (2011).
[CrossRef]

2010 (1)

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
[CrossRef]

2008 (2)

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

2006 (1)

J. G. C. Veinot, Chem. Commun. 41, 4160 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
[CrossRef]

2004 (1)

S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
[CrossRef]

2001 (1)

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

1992 (1)

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

1991 (1)

A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
[CrossRef]

Allen, G.

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Bakardjieva, S.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Belomoin, G.

G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
[CrossRef]

Canham, L. T.

A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
[CrossRef]

Cao, G.

Chun, B.-H.

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Chung, W.

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Cibulka, O.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Credo, G. M.

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

Cullis, A. G.

A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
[CrossRef]

Delerue, C.

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Demir, H. V.

T. Erdem and H. V. Demir, Nat. Photonics 5, 126 (2011).
[CrossRef]

Dohnalova, K.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
[CrossRef]

Doty, R. C.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

Englich, J.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Erdem, T.

T. Erdem and H. V. Demir, Nat. Photonics 5, 126 (2011).
[CrossRef]

Fauchet, P. M.

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Frauenheim, Th.

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

Fucikova, A.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Han, J. Y.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

He, Y.

S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
[CrossRef]

Heinrich, J. L.

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

Holmes, J. D.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

Jang, H. S.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Jeon, D. Y.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Johnston, K. P.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

Jorne, J.

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Kim, S. H.

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Kim, S. W.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Korgel, B. A.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

Kusova, K.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
[CrossRef]

Lang, J.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Lauerhaas, J. M.

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

Lee, S. T.

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

Lee, S.-G.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Li, Q. S.

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

Li, S. X.

S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
[CrossRef]

Lin, L. Y.

Matejka, P.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Nayfeh, M.

G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
[CrossRef]

Niehaus, T. A.

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

Park, S. H.

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Pelant, I.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
[CrossRef]

Pell, L. E.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

Rubinsztein-Dunlop, H.

J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
[CrossRef]

Sailor, M. J.

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

Stepanek, P.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Swihart, M. T.

S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
[CrossRef]

Therrien, J.

G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
[CrossRef]

Tilley, R. D.

J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
[CrossRef]

Tu, C.-C.

Valenta, J.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Veinot, J. G. C.

J. G. C. Veinot, Chem. Commun. 41, 4160 (2006).
[CrossRef]

Warner, J. H.

J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
[CrossRef]

Wolkin, M. V.

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Yang, H.

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Yu, H. J.

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Zhang, Q.

Zhang, R. Q.

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

Zidek, K.

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Ziegler, K. J.

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

ACS Nano (1)

K. Kusova, O. Cibulka, K. Dohnalova, I. Pelant, J. Valenta, A. Fucikova, K. Zidek, J. Lang, J. Englich, P. Matejka, P. Stepanek, and S. Bakardjieva, ACS Nano 4, 4495 (2010).
[CrossRef]

Adv. Mater. (1)

H. S. Jang, H. Yang, S. W. Kim, J. Y. Han, S.-G. Lee, and D. Y. Jeon, Adv. Mater. 20, 2696 (2008).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

G. Belomoin, J. Therrien, and M. Nayfeh, Appl. Phys. Lett. 77, 779 (2000).
[CrossRef]

K. Dohnalova, K. Kusova, and I. Pelant, Appl. Phys. Lett. 94, 211903 (2009).
[CrossRef]

Chem. Commun. (1)

J. G. C. Veinot, Chem. Commun. 41, 4160 (2006).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc. (2)

J. M. Lauerhaas, G. M. Credo, J. L. Heinrich, and M. J. Sailor, J. Am. Chem. Soc. 114, 1911 (1992).
[CrossRef]

J. D. Holmes, K. J. Ziegler, R. C. Doty, L. E. Pell, K. P. Johnston, and B. A. Korgel, J. Am. Chem. Soc. 123, 3743 (2001).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (1)

Q. S. Li, R. Q. Zhang, S. T. Lee, T. A. Niehaus, and Th. Frauenheim, J. Chem. Phys. 128, 244714 (2008).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. B (1)

J. H. Warner, H. Rubinsztein-Dunlop, and R. D. Tilley, J. Phys. Chem. B 109, 19064 (2005).
[CrossRef]

Langmuir (1)

S. X. Li, Y. He, and M. T. Swihart, Langmuir 20, 4720(2004).
[CrossRef]

Mater. Chem. Phys. (1)

W. Chung, H. J. Yu, S. H. Park, B.-H. Chun, and S. H. Kim, Mater. Chem. Phys. 126, 162 (2011).
[CrossRef]

Nat. Photonics (1)

T. Erdem and H. V. Demir, Nat. Photonics 5, 126 (2011).
[CrossRef]

Nature (1)

A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Phys. Rev. Lett. (1)

M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, G. Allen, and C. Delerue, Phys. Rev. Lett. 82, 197 (1999).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a), (c), and (d) PL spectra of the SiQD-phosphors with hydroxyl-termination (grey dotted curves), TMPS-passivation (red, orange, and yellow curves), and APTES-passivation (green curves). (b) Excitation spectra of the SiQD-phosphors in (a). CPS, counts per second.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Surface chemistries of TMPS- and APTES-passivation. (b) Photograph of the SiQD-phosphors with TMPS- and APTES-passivation, under 365 nm UV excitation.

Fig. 3.
Fig. 3.

Lighting spectra of 405 nm InGaN LEDs covered with only the red-emitting PDMS film (solid curve), and with the red- and the yellow-emitting PDMS films (dotted curve). Inset: a photograph of the PDMS films, under 365 nm UV excitation.

Metrics