Au-Assisted Growth of Anisotropic and Epitaxial CdSe Colloidal

Feb 3, 2015 - Nanocrystals via in Situ Dismantling of Quantum Dots .... dismantle or dissolve in the solution and recrystallize on the surface of larg...
0 downloads 0 Views 624KB Size
Subscriber access provided by MICHIGAN STATE UNIVERSITY | MSU LIBRARIES

Article

Au-assisted growth of anisotropic and epitaxial CdSe colloidal nanocrystals via in-situ dismantling of quantum dots. Víctor Fernàndez-Altable, Mariona Dalmases, Andrea Falqui, Alberto Casu, Pau Torruella, Sonia Estrade, Francesca Peiró, and Albert Figuerola Chem. Mater., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/cm504433y • Publication Date (Web): 03 Feb 2015 Downloaded from http://pubs.acs.org on February 18, 2015

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Chemistry of Materials is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

Au‐assisted growth of anisotropic and epitaxial CdSe colloidal  nanocrystals via in‐situ dismantling of quantum dots.  Víctor Fernàndez‐Altable,†,‡ Mariona Dalmases,†,‡ Andrea Falqui, &,$ Alberto Casu, $ Pau Torrue‐ lla, #,‡ Sònia Estradé, #,‡ Francesca Peiró, #,‡ Albert Figuerola*,†,‡  †

 Departament de Química Inorgànica, Universitat de Barcelona, Martí i Franquès 1‐11, 08028 Barcelona, Spain 



 Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB), Universitat de Barcelona, Martí i Franquès 1‐11, 08028 Barcelo‐ na, Spain 

&

 King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Biological and Environmental Sciences and Engi‐ neering Division, Thuwal 23955‐6900, Kingdom of Saudi Arabia 

$

 Department of Nanochemistry, Istituto Italiano di Tecnologia, I.I.T., Via Morego 30, 16163 Genova, Italy 

#

 Laboratory of Electron Nanoscopies (LENS)‐MIND/IN2UB, Departament d'Electrònica, Universitat de Barcelona,  Martí i Franquès 1‐11, 08028 Barcelona, Spain 

  ABSTRACT: Metallic nanocrystals have revealed in the last years as valuable materials for the catalytic growth of semi‐ conductor nanowires. Yet, only low melting point metals like Bi have been reported to successfully assist the growth of  elongated CdX (X = S, Se, Te) systems in solution, and the possibility to use plasmonic noble metals has become a chal‐ lenging task. In this work we show that the growth of anisotropic CdSe nanostructures in solution can also be efficiently  catalyzed  by  colloidal  Au  nanoparticles,  following  a  preferential  crystallographic  alignment  between  the  metallic  and  semiconductor domains. Noteworthy, we report the heterodox use of semiconductor quantum dots as an homogeneous  and tunable source of reactive monomer species to the solution. The mechanistic studies reveal that the in‐situ delivery of  these cadmium and chalcogen monomer species and the formation of AuxCdy alloy seeds are both key factors for the epi‐ taxial growth of elongated CdSe domains. The implementation of this method suggests an alternative synthetic approach  for the assembly of different semiconductor domains into more complex heterostructures. 

INTRODUCTION  In the last years, nanochemistry has offered an impres‐ sive plethora of size and shape‐controlled semiconductor  nanocrystals (NCs) that helped to identify critical param‐ eters  for  the  optimized  performance  of  NC‐based  energy  conversion devices.1‐4 Among these parameters, the aniso‐ tropic growth of semiconductors in the shape of nanorods  or  nanowires5‐7  and  their  decoration  with  metallic  do‐ mains8‐10 clearly enhance charge carriers separation within  the  particle,  and  thus  such  complex  systems  hold  great  promise in these fields.   The  Vapor‐Liquid‐Solid  (VLS)  and  Solution‐Liquid‐ Solid  (SLS)  approaches  represent  smart  ways  to  directly  produce 1D semiconductor nanostructures decorated with  one  metallic  tip,  fulfilling  in  this  way  the  two  previously  mentioned  requirements  for  enhanced  charge  carriers  separation.11‐14  The  VLS  and SLS  approaches  are based  on  the catalytic growth of the semiconductor domain assist‐ ed by the presence of metallic nanoparticles that are able  to form liquid alloys with one component of the semicon‐ ductor  material,  from  which  the  nanorod  or  nanowire  grows.  Since  the  diameter  of  the  wire  is  dictated  by  the  size  of  the  metallic  seed,  a  high  control  over  the  size  of 

the  latter  is  required  in  order  to  obtain  homogeneous  wire  samples.  Current  synthetic  methods  have  been  effi‐ ciently  developed  for  the  size‐control  of  Au  nanoparti‐ cles,15 and thus this metal has been generally used in the  VLS  growth  method,  where  high  reaction  temperatures  are  used  during  synthesis.13‐14  However  the  scenario  is  significantly  different  when  the  semiconductor  growth  takes  place  in  solution  through  the  analogous  SLS  ap‐ proach,11‐12  since  the  reaction  temperatures  reached  are  well below those used in the vapor phase and thus Au (Tm  = 1,064 °C) can hardly melt. While for the formation of Si,  Ge or InP elongated NCs in solution Au nanoparticles still  show  an  efficient  catalytic  performance,16‐19  this  is  not  so  clear  in  the  case  of  Cd  chalcogenide  1D  nanostructures.  Bismuth  is  generally  used  to  catalyze  the  growth  of  Cd‐ based semiconductors by SLS mechanisms due to its low‐ er  melting  point  (Tm  =  271  °C).20‐24  However,  and  com‐ pared  to  Au,  just  a  few  methods  exist  leading  to  well‐ defined  and  size‐controlled  Bi  nanoparticles.25‐26  Moreo‐ ver, Bi shows hindered visible plasmonic properties com‐ pared  to  noble  metals  like  Au  or  Ag  due  to  important  non‐radiative  damping.27‐28  Additionally,  the  high  corro‐ sion resistance of Au and its high electronic conductivity  have provided  a wide  range of technological  applications 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

to this noble metal, especially in electronics, and thus the  exploitation  of  Au  nanocrystals  as  components  of  nanostructured  semiconductor‐based  systems  is  consid‐ ered as particularly appealing.  As  an  alternative,  anisotropic  Au‐CdX  nanostructures  (X = S, Se, Te) can be readily prepared in solution by in‐ ducing  the  heterogeneous  growth  of  Au  domains  on  the  surface  of  previously  synthesized  CdX  nanorods  with  relatively  high  versatility  in  terms  of  size  and  location  of  the metal tip, as reported by Banin et al. in 2004.29‐30 Nev‐ ertheless,  these hybrid nanocrystals  present small,  defec‐ tive  and  non‐epitaxial  interfaces  difficult  to  control  dur‐ ing  the  reaction.  In  recent  years,  some  of  the  authors  of  the  present  work  have  intensively  studied  the  tempera‐ ture‐dependent structural and morphological evolution of  these solution‐prepared cadmium chalcogenide nanorods  decorated  with  Au  domains.31‐32  These  studies  allowed  identifying  the  optimal  conditions  for  the  formation  of  large  and  epitaxial  metal‐semiconductor  interfaces  that  should make the heterostructures more suitable for use in  nanoscale electronic devices. Although these studies were  mainly  performed  on  samples  deposited  on  substrates,  some  reported  preliminary  results  indicated  the  possibil‐ ity  to  directly  obtain  analogous  structures  in  solution,  with  the  consequent  advantage  of  producing  larger  amounts  of  elongated  Au‐CdX  epitaxial  hybrid  nanocrystals that could be easily processed further in low  boiling  point  solvents.  Interestingly,  these  preliminary  studies  suggested  that  Au  nanoparticles  might  be  per‐ forming as catalytic sites for the growth of the elongated  semiconductor domain, something that seems controver‐ sial with the general accepted idea that only low melting  point metals like Bi are capable of catalyzing such growth  in colloidal phase. Indeed, that was the starting point for  the  investigations  reported  in  the  present  work.  To  the  best  of  our  knowledge,  the  growth  of  colloidal  Au‐CdX  nanorods or nanowires by this procedure still remains as  a  challenge  and  therefore,  this  work  is  devoted  to  the  study  of  the  practical  possibilities  of  the  method  and  to  shed some light on the growth mechanism involved.   Herein,  we  report  a  novel  and  facile  approach  for  the  synthesis  of  Au‐cadmium  chalcogenide  elongated  NCs  with  a  head‐to‐tail  morphology  using  QDs  as  precursor  materials. These nanostructures show tunable lengths up  to  500  nm  and  intrinsic  absolute  selectivity  for  the  posi‐ tion of the gold domain with respect to the semiconduc‐ tor  section,  while  ensuring  their  colloidal  stability  in  or‐ ganic  low  boiling  point  solvents.  We  show  that,  despite  their high melting point, plasmonic Au NCs are also suit‐ able  catalytic  sites  for  the  anisotropic  and  epitaxial  growth of the chalcogenide semiconductor in solution by  forming  an  alloy  with  cadmium,  provided  that  the  semi‐ conductor  molecular  precursors  are  homogeneously  de‐ livered.  One  of  the  novelties  of  this  work  deals  with  the  gradual  and  tunable  release  of  reactive  monomer  species  to the solution, achieved via in‐situ dismantling of quan‐ tum  dots  (QDs)  that  assists  a  confined  1D  growth  of  the  semiconductor.  Several  authors  have  reported  the  suc‐ cessful  use  of  NCs  as  precursors  for  novel  nanostruc‐

Page 2 of 11

tures:33  chemical  or  morphological  transformations  on  NCs  have  been  performed  through  ion  exchange  reac‐ tions,34‐35  atomic  diffusion  mechanisms36‐37  or  focused  electron  beam  exposure  among  others.32,38  Nevertheless,  colloidal  NCs  have  never  been  explored  as  molecular  monomer  sources  for  the  growth  of  more  complex  and  better engineered hybrid nanomaterials. It is known that  Cd  chalcogenide  QDs  can  suffer  Ostwald  ripening  pro‐ cesses  in  the  presence  of  appropriate  surfactants,  which  means  that  the  smaller  QDs  dismantle  or  dissolve in  the  solution  and  recrystallize  on  the  surface  of  larger  QDs,  following  a  thermodynamically‐driven  stabilization  pro‐ cess.39‐40  Thus,  the  dismantling  that  occurs  during  diges‐ tive ripening  can be effectively  seen  as a  constant  source  of  active  monomer  species  that  are  gradually  released  to  the  solution.  Taking  into  consideration  the  previous  statements,  a  question  arises  on  whether  the  induced  dismantling  of  colloidal  QDs  in  the  presence  of  Au  NCs  could  represent  a  successful  alternative  for  the  straight‐ forward  formation  of  Au‐semiconductor  elongated  nanohybrids.   EXPERIMENTAL SECTION  Chemicals.  CdO  powder  (99%),  Se  powder  (99.99%),  Te powder (99.999%), tri‐n‐octylphosphine oxide (TOPO,  99%),  CuCl  (99.999%‐Cu),  tri‐n‐octylphosphine  (TOP,  97%)  and  tri‐n‐butylphosphine  (TBP,  99%)  were  pur‐ chased from Strem Chemicals. Octadecylphosphonic acid  (ODPA, 99%) was purchased from Polycarbon Industries.  Gold  (III)  chloride  trihydrate  (HAuCl4•3H2O,  ≥99.9%),  hexamethyldisila‐thiane  ((TMS)2S,  synthesis  grade),  oleylamine  (OLAm,  70%),  oleic  acid  (OLAc,  ≥99%),  dodecylamine  (DDAm,  98%),  1‐octadecene  (ODE,  90%),  chloroform  (CHCl3,  ≥99.8%),  toluene  (99.9%),  isopropa‐ nol  (i‐PrOH,  ≥99.9%),  and  methanol  (MeOH,  ≥99.9%)  were  purchased  from  Sigma‐Aldrich.  Dibenzyl  ether  (Bz2O,  ≥98%)  was  purchased  from  Fluka.  Nitric  acid  (HNO3,  69.0%)  and  hydrochloric  acid  (HCl,  ≥37%)  for  trace analysis were purchased from Fluka to prepare pure  aqua  regia  (HNO3:HCl  1:3  v/v)  for  the  digestion  of  stock  solutions  of  nanoparticles  prior  to  their  chemical  anal‐ yses.  Hydrogen  peroxide  solution  (H2O2,  33%  w/v)  was  purchased  from  Panreac.  All  reagents  and  solvents  were  used  as  received,  except  for  the  ODE,  Bz2O  and  OLAm  used to inject quantum dots into the reaction flask, which  had been previously degassed under vacuum for 3 h at 120  ºC.  The  syntheses  of  precursor  NCs  used  are  based  on  previously  reported  methods  and  are  described  in  detail  in the Supporting Information.41‐43  Synthesis of Au‐CdSe HNCs in benzyl ether (Refer‐ ence  System).  The  strategy  for  synthesis  of  HNCs  was  based on hot injection of QDs at room temperature into a  suspension  of  Au  nanoparticles  at  high  temperature.  Re‐ action  time,  temperature,  concentration  of  injected  QDs  and,  to  a  lesser  extent,  amount  of  OLAm,  were  varied  in  different  experiences,  whereas  solvent  volume  and  amount  of  Au  nanoparticles  were  fixed  in  all  cases.  The  general  protocol  is  described  here  for  the  typical  case  of  elongated  Au–CdSe  HNCs  as  follows:  in  a  25‐mL  three‐

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

  Figure 1. TEM images of Au‐CdSe HNCs obtained at 250 ºC in Bz2O after 5 min (a), 1 h (b), and 4 h (c). The respective  average dimensions are 30 nm x 10 nm, 69 nm x 13 nm, and 105 nm x 14 nm. Scale bar: 100 nm.    neck flask, a mixture of 3 mL Bz2O, 250 L OLAm, and  200  L  of a  0.74  M Au  NCs  stock solution (0.148  nmol)  was degassed at 120 ºC under vacuum for 1 h while being  stirred.  Meanwhile,  200  L  of  a  57  M  CdSe  QDs  stock  solution (11.4 nmol) were precipitated with 200 L MeOH  in an auxiliary vial. Inside a glove box, the precipitate was  re‐dispersed  in  1  mL  of  degassed  Bz2O.  Under  N2  atmos‐ phere,  the  temperature  of  the  flask  suspension  was  fixed  at  250  ºC  and  the  CdSe  QDs  suspension  was  swiftly  in‐ jected.  The  reaction  was  stopped  after  4  h  by  letting  the  system  cool  down  naturally  to  room  temperature.  The  resulting suspensions were washed twice  with equivalent  volumes  of  isopropanol  and  finally  re‐dispersed  in  tolu‐ ene.  Synthesis  of  Au‐CdSe  HNCs  in  1‐octadecene.  The  synthesis  of  Au–CdSe  HNCs  in  ODE  was  adapted  from  the protocol established for the Reference System in Bz2O  described  above.  In  this  case,  750  L  OLAm  were  used  and temperature of reaction was fixed at 300 ºC. The final  suspensions  were  washed  twice  with  equivalent  volumes  of  isopropanol  and  re‐dispersed  in  toluene.  A  series  of  analogous  experiments  was  also  carried  out  using  lower  amounts  of  injected  QDs,  down  to  20%  (2.28  nmol)  of  that employed in the Reference System.  Synthesis  of  Au‐CdTe  HNCs  in  1‐octadecene.  The  synthesis  of  Au–CdTe  HNCs  followed  the  same  protocol  as  for  the  Au–CdSe  system  in  ODE  described  above.  In  order to find the optimal conditions for the production of  monodispersed  hybrid  elongated  NCs,  several  tests  were  performed  at  different  temperatures  and  times  of  reac‐ tion, ranging from 200 ºC to 300 ºC, and from 1 min to 4 h,  respectively.  The  best  conditions  found  corresponded  to  280 ºC and 15 min of reaction. The final suspensions were  washed twice with equivalent volumes of isopropanol and  re‐dispersed in toluene for storage.  Synthesis of Au‐CdS HNCs in 1‐octadecene. The syn‐ thesis of Au–CdS HNCs followed the same protocol as for  the  Au–CdSe  system  in  ODE  described  above.  A  mixture  of  Au‐CdS  elongated  HNCs  and  large  CdS  QDs  was  ob‐ tained using a reaction temperature of 300 ºC and after 4  h  of  reaction.  The  final  suspensions  were  washed  twice  with  equivalent  volumes  of  isopropanol  and  re‐dispersed  in toluene for storage. 

Synthesis  of  Au‐CdTe‐CdSe  heterostructures.  With  respect to the Au–CdSe system in ODE, 50% of CdSe QDs  (5.74  nmol)  were dispersed  in  500  L  ODE,  injected into  the flask with Au NCs at 280 ºC, and let react for 16 min.  5.80 nmol CdTe QDs dispersed in 250 L ODE were then  injected  in  the  same  reacting  flask  and  the  reaction  was  finally stopped 15 min later. The suspensions were washed  twice  with  equivalent  volumes  of  isopropanol  and  re‐ dispersed in toluene.  Characterization.  The  synthesized  samples  dissolved  in  toluene  were  drop‐casted  on  monocrystalline  Si  sub‐ strates  or  carbon‐coated  Cu  grids,  and  then  naturally  dried  in  air  before  characterization  by  XRD  and  TEM,  respectively.  The  sample  solutions  were  appropriately  diluted  for  UV‐Visible  absorbance  and  photolumines‐ cence  measurements  and  digested  for  bulk  chemical  analysis.  Further  details  on  characterization  methods  are  described in the Supporting Information.  RESULTS  Au‐assisted  growth  of  elongated  CdSe  NCs  in  or‐ ganic solvents. The general strategy for the synthesis of  hybrid  NCs  (HNCs)  is  based  on  injection  of  a  QDs  solu‐ tion into a suspension of colloidally stable Au nanoparti‐ cles in the presence of a single amine surfactant that also  acts as a dismantling agent of QDs. Transmission electron  microscopy (TEM) images in Figure 1 illustrate the evolu‐ tion of a sample with time in a system with Au nanoparti‐ cles  and CdSe QDs reacting at 250 ºC using  benzyl  ether  (Bz2O) as solvent and oleylamine (OLAm) as dismantling  agent (see Reference System in the Experimental section).  The  formation  of  elongated  worm‐like  Au–CdSe  HNCs  occurs  from early stages of  the reaction and  the reaction  conditions  provide  optimal  control  on  their  growth  with  time.  Thus,  as  illustrated  in  Figure  1,  the  average  lengths  evolve progressively from 30 nm to 105 nm between 5 min  and 4 h of reaction. Interestingly, the process takes place  with  very  high  location  selectivity  of  the  materials  in‐ volved.  In  particular,  Au  appears  in  all  cases  as  a  single  domain  at  one  tip  of  the  HNCs  and  no  decoration  of  Au  clusters is detected on the surface of the grown CdSe tails  regardless  of  time  of  reaction.  On  the  other  hand,  the  growth of only one CdSe domain on each Au NC takes 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 11

  Figure 2. XRD spectrum of the final Au‐CdSe HNCs sample (a). Room temperature optical absorbance (b) and PL spec‐ tra (c) of aliquots ranging from 5 min to 4 h of reaction at 250 ºC in Bz2O, initially containing Au NCs and CdSe QDs.    place  in  all  cases;  i.e.  no  other  types  of  nanostructures  are  obtained  under  these  conditions.  During  the  first  stages  of  the  reaction,  Au–CdSe  HNCs  coexist  with  CdSe  QDs  of  sizes  smaller  than  those  used  as  precursors.  The  size  of  these  QDs  becomes  progressively  smaller  with  reaction time (Figure 1a‐b) until no more QDs are observ‐ able  after  4  h  (Figure  1c).  These  observations  suggest  a  process of dismantling of the injected spherical‐like CdSe  QDs  and  the  subsequent  CdSe  recrystallization  on  the  surface of Au NCs as elongated domains.   X‐ray  diffraction  (XRD)  analysis  from  final  samples  confirms  the  cubic  structure  for  Au  and  the  hexagonal  wurtzite  structure  for  CdSe  domains  in  the  HNCs  as  shown  in  Figure  2a.  The  room  temperature  optical  ab‐ sorbance  spectra  of  aliquots  taken  at  different  reaction  times  show  a  gradual  widening  and  loss  of  characteristic  peaks  in  accordance  with  the  expected  overlapping  of  absorption  bands  from  Au  tips  and  CdSe  tails  of  slightly  different  lengths  and  widths  (Figure  2b).  As  shown  in  Figure  2c,  the  reaction  has  been  simultaneously  moni‐ tored  by  photoluminescence  (PL)  measurements  of  ali‐ quots  taken  at  different  reaction  times:  ca.  5  nm‐QDs  used as precursors exhibit an intense PL band centered at  607  nm  that  shifts  down  to  560  nm  after  only  5  min  of  reaction.  The PL  band  follows  the  same  trend  with  addi‐ tional  reaction  time,  shifting  to  a  maximum  at  510  nm  after 4 h of reaction, indicating that small 1‐2 nm QDs are  still  present  in  the  last  aliquot.  Usual  precipitation‐ redissolution  washing  cycles  are  sufficient  so  as  to  com‐ pletely  remove  them  from  the  solution,  and  accordingly  the  final  sample  shows  no  PL  and  it  is  composed  exclu‐ sively of Au‐CdSe HNCs with no reminiscence of precur‐ sor  QDs.  These  results  evidence  the  QDs  dismantling  or  dissolution‐based mechanism through which HNCs grow,  and  confirm  the  expected  PL  quenching  in  such  type  of  noble  metal‐semiconductor  nanoparticles.29  In  fact,  equivalent  experiments  in  the  absence  of  Au  NCs  also  show  an  initial  blue  shift  of  the  PL  band  in  early  stages  corresponding  to  a  partial  dismantling  of  the  precursor  QDs. However this is quickly followed by a clear red shift  at  later  stages  until  the  emission  wavelength  of  the  pre‐ cursor  QDs  is  recovered  after  4h  of  reaction,  in  accord‐ ance  with  an  expected  self‐Ostwald  ripening  mechanism  (see Supporting Figure S1). 

Among  the  reaction  conditions  tested,  none  of  them  leads  to  a  further  significant  growth  of  the  CdSe  tails  beyond 100 nm. The relatively high dipolar momentum of  Bz2O (1.390 D) most likely plays a role in the stabilization  of  the  molecular  monomers  in  solution,  which  tends  to  shift  the  reaction  equilibrium  towards  the  formation  of  such  species,  thus  limiting  the  growth  of  the  desired  nanostructures. Instead, 1‐octadecene (ODE) is known to  be  a  solvent  with  a  low  dipolar  momentum  (0.369  D),  nearly  four  times  lower  than  Bz2O,44  which  prompted  us  to  test  its  role  in  such  thermodynamic  equilibrium.  A  series of reactions has been carried out in ODE in order to  synthesize  higher  aspect  ratio  Au–CdSe  HNCs.  When  performing  analogous  experiments  to  the  one  described  as  Reference  System  but  substituting  Bz2O  by  ODE,  a  large  amount of precursor  QDs  with  sizes comparable  to  the initial ones are still observed even after 4 h at 250 °C,  while  Au‐CdSe  HNCs  found  in  the  sample  show  shorter  average  lengths than those obtained in  Bz2O  (results not  shown).  These  results  indicate  the  slow  and  inefficient  dismantling process occurring in ODE at this temperature  compared  to  Bz2O;  they  suggest  that  non‐coordinating  solvents with low dipolar momentum do not promote the  release  of  molecular  monomers  to  the  solution.  Conse‐ quently,  a  higher  temperature  is  required  to  enhance  precursor QDs dismantling. In particular, a reaction tem‐ perature of 300 °C is necessary in ODE to induce a quanti‐ tative dismantling and thus, experiments described here‐ after  have  been  conducted  at  this  temperature.  The  amount of injected CdSe QDs has been varied in a range  of 20% to 100% with respect to the Reference System and  the  time  to  complete  the  reaction  has  been  adjusted  ac‐ cordingly.  As  illustrated  in  Figure  3,  the  formation  of  elongated  Au–CdSe  HNCs  occurs  in  all  cases  with  a  worm‐like  morphology  similar  to  that  obtained  in  Bz2O  but reaching much longer tails even from early stages. As  deduced  from  the  results,  the  combined  effect  of  the  higher reaction temperature and poor coordinating char‐ acter  of  ODE  allow  CdSe  QDs  to  dismantle  faster  and,  subsequently,  Au‐CdSe  HNCs  to  grow  longer,  compared  to experiments performed at 250 °C in Bz2O.  TEM micrographs in Figure 3 and Supporting Figure S2  show  typical  images  of  the  samples  obtained  in  ODE  at  300 ºC. As shown in Figure 3a, the injection of only 20%  

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

ily  studied  by  substituting  OLAm  by  another  commonly  used  primary  amine  such  as  DDAm,  as  reported  in  the  Supporting Information (Figures S4 and S5). The use of an  equivalent amount of DDAm as surfactant or dismantling  agent instead of OLAm changes dramatically the kinetics  of the  process in  a way that elongated HNCs are  not  ob‐ tained  with  any  of  the  materials  tested  (CdSe  and  Cu2‐ xSe).  Contrary  to  the  cases  of  OLAm  systems,  the  initial  twinned  structure  of  Au  in  the  tips  is  preserved  with  all  materials  and  at  all  reaction  temperatures  tested  when  DDAm is employed. This fact evidences the much higher  degree  of  stabilisation  that  this  surfactant  exerts  on  the  surface  of Au  NCs,  and alters completely the mechanism  by  which  the  semiconductor  domain  grows.  As  a  conse‐ quence,  only  low  aspect  ratio  nanoworms  are  obtained,  which are better described as heterodimers.  

  Figure  3.  TEM  images  of  growth  stages  of  Au‐CdSe  HNCs at 300 ºC in ODE upon injection of 20% CdSe QDs  after 5 min (a) and 1 h (b), and of 100% CdSe QDs after 5  min (c) and 1 h (d). Scale bar: 100 nm.    QDs  results  in  the  absence  of  QDs  already  after  5  min  of  reaction,  although  the  sample  is  more  polydisperse  at  these  initial  stages:  a  wider  range  of  lengths  occurs  and  even  some  Au  NCs  can  be  spotted  with  very  short  or  no  tail grown on them. Additional time of reaction eventual‐ ly  leads  to  significantly  narrower  distributions  of  lengths  but always limited below 300 nm (Figure 3b). When 100%  QDs  are  injected  to  the  reaction  flask,  nanoworms  of  average  length  of  200  nm  grow  just  in  5  minutes,  while  small  QDs  still  remain  in  solution  (Figure  3c).  After  1  h,  no remaining QDs are observed and the nanoworms grow  up  to  ca.  500  nm  (Figure  3d).  Beyond  the  length  of  the  CdSe tails, the combined effect of amount of injected QDs  and  time  of  reaction  has  a  significant  influence  on  other  morphological,  structural,  and  compositional  features  of  the  HNCs.  The  diameter  of  the  tails  also  increases  with  time of reaction and with amount of QDs injected. Thus,  after  5 min,  the injection of  20% QDs leads to  diameters  that  are  smaller  than  those  of  the  Au  seeds  and  tend  to  decrease  with  distance  from  the  Au–CdSe  interface.  In‐ stead,  the  diameters  of  nanoworms  obtained  with  100%  QDs  are  close  to  those  of  the  Au  seeds  and  remain  con‐ stant  along  the  tails  (see  Supporting  Figure  S2).  Time  of  reaction  tends  to  increase  the  diameter  in  both  cases.  Interestingly,  this  is  accompanied  by  a  progressive  sur‐ rounding of the Au seeds by grown CdSe, up to the point  of  their  encapsulation  in  the  systems  loaded  with  higher  concentrations of QDs as illustrated in Supporting Figure  S3.  On  the  other  hand,  a  higher  concentration  of  QDs  initially  produces  structures  with  straighter  sections  of  the CdSe tails, although they evolve towards crooked tails  with  time  of  reaction.  The  effect  of  the  nature  of  the  amine surfactant in the reaction has also been preliminar‐

It is worth stressing at this point that such experiments  have been performed with CdSe QD precursors that were  prepared  via  two  different  synthetic  methods.  One  of  them  used  phosphonic  acids  and  a  coordinating  phos‐ phine‐based  solvent  (results  shown  in  the  main  text),  whereas  the  other  one  employed  less  harmful  and  much  cheaper  oleic  acid  surfactant  and  a  non‐coordinating  solvent.  Similar  samples  of  Au‐CdSe  HNCs  have  been  obtained  in  both  cases,  and  an  example  of  those  synthe‐ sized  from  CdSe  QDs  prepared  in  ODE  and  stabilized  with oleic acid is reported in Supporting Figure S6.  High  resolution  structural  and  chemical  analysis.  In order to achieve additional insights on the influence of  time  of  reaction  and  amount  of  QDs  used  as  precursors  on  the  structure  of  the  HNCs,  high  resolution  TEM  (HRTEM)  and  spectroscopic  analyses  have  been  carried  out  for  samples  obtained  in  ODE  at  300  °C.  At  this  tem‐ perature,  the  polycrystalline  twinned  structure  of  the  original Au  NCs used  as  seeds  evolves  to  a  single crystal,  in  contrast  with  what  happens  when  the  reactions  take  place at 250 °C. However, different behaviors are observed  depending  on  the  amount  of  CdSe  QDs  injected:  when  low  amounts  (20%)  are  injected  and  after  1h  reaction,  d‐ spacing  values  corresponding  to  fcc  Au  planes  in  the  head,  and  to  hexagonal  wurtzite  CdSe  planes  in  the  tail  are  easily  identified  but  a  random  orientation  of  the  Au  and  CdSe  lattices  is  observed  in  the  elongated  nanohybrids,  as  depicted  in  Supporting  Figure  S7.  In  the  case  that  high  amounts  (100%)  of  QDs  are  injected,  the  nanostructures formed evolve with time both in terms of  size  and  chemical  composition:  Interestingly,  a  detailed  HRTEM  structural  analysis  of  an  aliquot  extracted  from  the  highly  QDs  loaded  system  at  intermediate  reaction  times (2h) shows metallic tips with lattices that are clearly  compatible  with  AuxCdy  alloys  as  shown  in  Figure  4a.  Alloying in the tips is confirmed by acquisition of Energy  Dispersive  X‐ray  (EDX)  spectra,  which  render  a  Au/Cd  ratio of about 3 according to quantifications based on the  Cliff‐Lorimer method (Figure 4b‐c). Yet, typical d‐spacing  values  of  hexagonal  Au2Cd  are  identified  from  structural  analysis.  Moreover,  the  interfaces  of  such  intermediate  nanoworms obtained from 100% QDs exhibit a  

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 11

  Figure  4.  a)  HRTEM  micrograph  showing  the  epitaxial  relationship  between  Au2Cd  and  CdSe  domains  in  HNCs  ob‐ tained  at  300  °C  in  ODE  and  100%  injected  QDs  after  2  h  reaction;  b)  High  Angle  Annular  Dark  Field–Scanning  TEM  (HAADF‐STEM)  image  of  HNCs  obtained  under  the  same  reaction  conditions;  c)  EDX  spectrum  of  the  selected  area  shown in b); d) and e) HRTEM images of CdSe and AuCd domains, respectively, of HNCs obtained at 300 °C in ODE and  100% injected QDs after 4 h reaction; f) HAADF‐STEM image of an HNC obtained under the same reaction conditions as  in d) and its corresponding Cd elemental profile dependence obtained from EELS analysis along the X axis.    preferential epitaxial orientation according to the crys‐ tallographic relationship:  Au2Cd (100) // CdSe (100) and Au2Cd [001] // CdSe [001]  where  the  left  term  represents  the  interface  and  the  right  term  represents  the  vector  alignment.  Lattice  mis‐ match  m  was  calculated  along  the  Au2Cd  (100)  //  CdSe  (100),  where  m  is  defined  as  the  absolute  difference  be‐ tween  two  lattice  spacings  (d1  and  d2)  along  a  certain  direction, relative to the average of the lattice spacings:  m = 2d1‐ d2/(d1+d2))  In  our  case  the  lattice  mismatches  were  calculated  by  considering that three unit cells of Au2Cd along the [100],  [110]  and  [001]  directions  fit  in  two  unit  cells  of  CdSe  along the [100], [110] and [001] directions, with calculated  mismatch  being  2.00%,  1.84%  and  2.88%,  respectively.  These  results  confirm  Cd  diffusion  into  the  bulk  of  Au  seeds  at  high  QDs  loading  already  at  intermediate  reac‐ tion  times,  and the  low values of  lattice  mismatch meas‐ ured  fully  justify  the  feasibility  of  epitaxial  growth  of  the  semiconductor domain. After 4 h reaction, CdSe tails still  appear  to  be  well  crystallized  as  depicted  in  Figure  4d,  despite the significant twists that form along the domain  with time. Nonetheless, the wurtzite CdSe lattice is found  to be severely distorted in the regions that wrap the me‐ tallic  tip  (expansions  as  large  as  12%  along  the  (‐221)  di‐ rection and 9% in the (2‐1‐1) could be measured in several 

images).  Moreover,  the  lattice  of  the  metallic  tip  differs  from  both  that  of  bulk  Au  and  Au2Cd.  In  fact,  the  meas‐ ured d‐spacings and crystalline directions are compatible  with  an  orthorhombic  AuCd  alloy  phase,  indicating  an  increasing  degree  of  Cd  diffusion  into  the  metallic  seed  with time of reaction (Figure 4e). To further characterize  the  system,  a  series  of  Electron  Energy  Loss  spectra  (EELS) has been acquired along the nanoworm as shown  in  Figure  4f.  The  spectra  show  a  significant  cadmium  signal increase in the gold seed with respect to that quan‐ tified in the CdSe tail. This relative increase confirms the  alloying  of  cadmium  and  gold  proposed  after  HRTEM  analysis  (see  Experimental  details  in  the  Supporting  In‐ formation for spectra quantification). The latter also indi‐ cates  that  the  CdSe  domain  grows  epitaxially  adapted  to  the  AuCd  lattice  according  to  the  following  crystallo‐ graphic relationship:  CdSe [102] // AuCd [001] with CdSe (010) // AuCd (010)  where  the  left  term  represents  the  interface  and  the  right term represents the vector alignment.  Multi‐semiconductor  heterostructures.  Procedures  analogous  to  those  developed  for  the  formation  of  Au– CdSe  HNCs  in  ODE  have  also  been  tested  to  obtain  Au‐ CdS and Au–CdTe elongated HNCs and similar results are  obtained  as  described  in  the  Supporting  Information  (Figures  S8‐S10).  From  these  results  it  can  be  concluded  that the optimal reaction conditions for the synthesis of  

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

phological  features  are  identified:  a  denser  tip,  an  elon‐ gated tail, and a thicker trunk intercalated between them  as depicted in Figure 5a and Supporting Figure S11. Figure  5  shows  a  HRTEM  image  and  EDX  analyses  of  areas  of  each  type  of  domain  in  one  of  these  NCs.  The  composi‐ tional  analysis  of  each  area  indicates  that  alloying  be‐ tween gold and tellurium occurs in the metallic tip, prob‐ ably  enhanced  by  long  time  electron  beam  exposure  as  observed  in  previous  reports.45  Most  interestingly,  the  sequence of domains in these HNCs from head to tail was  AuTex–CdTe–CdSe,  i.e.  the  components  of  the  QDs  in‐ jected in the second place appear first in the sequence of  the  structure.  Note  also  that  the  absence  of  Cd  in  the  metallic tip discards that the detected Te is part of a CdTe  domain covering the gold NC. Likewise, the absence of Se  in the trunk indicates CdTe is not growing coaxially onto  the  tail  of  a  former  Au–CdSe  hybrid.  All  in  all,  these  re‐ sults evidence that the growth of the HNCs takes place via  incorporation of the molecular precursors generated from  the  secondly  injected  QDs  at  the  very  interface  between  the  metallic  seeds  and  primary  grown  CdSe  domain  of  semiconductor, pointing out the importance of formation  of  a  surface  or  bulk  solid  solution  between  Au  and  Cd  necessary for the growth of the semiconductor tail.  DISCUSSION 

  Figure  5.  HRTEM  image  of  a  single  3‐domain  hybrid  Au–CdTe–CdSe heterostructure (a) and EDX analyses (b)  of the tip (blue), the trunk (green), and the tail (red) areas  of the heterostructure shown in (a).    elongated  Au–CdTe  HNCs  are  also  compatible  with  analogous Au–CdSe HNCs formation. This allowed for the  one‐pot  consecutive  injections  of  the  two  types  of  QDs,  namely CdSe QDs first and later CdTe QDs, thus produc‐ ing  3‐domain  hybrid  heterostructures  with  a  metallic  head and two connected semiconductor domains forming  the tail. The latter are expected to be formed of different  materials provided the lapse between injections was long  enough as to consume most of the CdSe QDs injected in  first  place.  By  following  the  same  synthetic  scheme  de‐ scribed so far at 280 ºC, rather elongated heterostructures  are  obtained  in  which  three  domains  with  distinct  mor‐

The results obtained so far evidence a multistep mech‐ anism  by  which  such  elongated  Au‐CdSe  HNCs  grow,  which  is  depicted  in  Scheme  1:  first,  alkylamines  induce  CdSe QDs dismantling, providing monomer species to the  solution that are gradually released without leading to an  oversaturated  medium  that  would  favor  homogeneous  nucleation.  Second,  active  monomer  species  in  the  solu‐ tion  start  interacting  with  Au  NCs  at  high  temperatures.  Since  Au  is  characterized  by  a  high  atomic  mobility  that  can  be  easily  enhanced  at  high  temperatures,46‐47  the  structure  of  Au  seeds  can  eventually  rearrange  into  a  single crystal at 300 °C in the presence of OLAm. During  such  process,  the  incorporation  of  other  metallic  atoms  present  in  the  solution  like  Cd  is  likely  to  happen.  This  leads  to  either  surface  or  bulk  diffusion,  depending  on  reaction  temperature  and  amount  of  injected  QDs,  to  form  Au2Cd  metallic  alloys.  Third,  the  Au2Cd  metallic  seed  is  able  to  promote  the  nucleation  and  longitudinal  growth of a CdSe domain by consuming most of the avail‐ able  monomers  in  solution  and  following  a  specific  epitaxy with a low lattice mismatch. In fact, the values of  Au2Cd‐CdSe  lattice  mismatch  observed  in  this  work  are  lower than any reported value of lattice mismatch for Au‐ CdSe  nanostructures,31  what  explains  the  need  for  the  formation of the alloy. Interestingly, the supply of mono‐ mers during longitudinal growth takes place preferential‐ ly at the interface between the Au seed and the CdSe tail,  as  evidenced  from  our  experiments  on  the  formation  of  multi‐semiconductor  heterostructures.  All  together  re‐ veals  the  indispensable  role  of  Au  nanoparticles  in  the  reaction.  Noteworthy,  the  gradual  release  of  Cd  and  Se  monomer  species  during  QDs  dismantling  seems  to  be  a  key aspect for the anisotropic growth of the CdSe domain:  analogous experiments performed by injecting similar  

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 8 of 11

Scheme 1. Reaction and growth mechanism of Au‐CdSe HNCs in solution. 

    amounts  of  usual  molecular  Cd  and  Se  precursors,  as  done  in  traditional  SLS  synthesis  with  Bi  catalysts,  leads  to  an  homogeneous  nucleation  and  growth  of  spherical  CdSe QDs or to Au‐CdSe dimer‐like nanostructures in the  best of the cases, probably due to uncontrolled growth in  oversaturated  solutions  (see  Supporting  Figure  S12).  The  in‐situ  delivery  of  monomers  presented  here,  assures  a  complete homogeneous distribution of reactive species at  all stages of the reaction, compared to standard hot injec‐ tion or dropwise addition methods. On the other hand, it  is  worth  considering  that  longitudinal  growth  is  accom‐ panied  by  random  bendings  along  the  CdSe  tail,  which  definitely  indicate  the  presence  of  defects  in  the  crystal‐ line lattice. Nonetheless, the presence of defects and grain  boundaries  in  semiconductors  can  be  greatly  beneficial  for  some  of  their  potential  applications.48‐49  At  last,  after  prolonged  times  of  reaction,  Cd  and  Se  monomers  re‐ maining  in  solution  preferentially  induce  a  transversal  growth  of  the  CdSe  domain  at  the  expense  of  the  initial  longitudinal  growth,  enlarging  in  this  way  the  CdSe  tail  diameter.  Simultaneously,  Cd  atoms  continue  to  diffuse  into  the  Au  lattice  until  a  Au/Cd  atomic  ratio  of  1  is  achieved  and  they  eventually  recrystallize  as  CdSe  over  the  metallic  tip,  contributing  to  the  AuCd  encapsulation  at  late  stages  of  the  reaction.  (Supporting  Figure  S3)  AuxCdy binary alloys have been previously observed to be  responsible for the growth of Au2Cd@CdSe and Au@CdSe  core@shell  nanoparticles,50‐51  but  an  anisotropic  and  epi‐ taxial growth of the cadmium chalcogenide domain as the  one reported here has never been achieved up to now.  This  longitudinal  growth  mechanism  resembles  the  very  well‐known  SLS  mechanism  reported  by  Buhro  in  1995.12  However,  the  SLS  mechanism  relies  on  the  possi‐ bility of the catalytic metallic seeds to melt at the reaction  temperature and form liquid alloys with the metallic pre‐ cursor  of  the  semiconductor  material.  Thus,  it  has  been  generally  accepted  that  low  melting  point  metals  are  re‐ quired for this strategy to be feasible, or alternatively the  eutectic  alloy  formed  during  synthesis  should  present  a  melting  temperature  attainable  in  solution.11‐12  Au  has  a  significantly  high  bulk  melting  temperature  (1,064  °C), 

and  consequently  it  has  been  used  mainly  in  the  growth  of  semiconductors  at  high  temperature  and  in  the  vapor  phase  using  Chemical  Vapor  Deposition  (CVD)  tech‐ niques  and  following  the  VLS  mechanism.13‐14  Nonethe‐ less, Au has been shown to efficiently catalyze the growth  of Si and Ge nanowires in solution as well.16‐17 This fact is  most  likely  due  to  the  low  melting  temperatures  of  the  eutectic  AuSi0.2  and  AuGe0.4  alloys  (atomic  ratio),  which  are 363 °C and 361 °C, respectively.52 Note also that Si and  Ge amounts required for the formation of the correspond‐ ing eutectic  alloys are  relatively low,  which  means  that a  small amount of Si or Ge diffusion into Au is sufficient as  to dramatically drop the melting temperature of the par‐ ticle  from  1,064  °C  to  temperatures  below  400  °C,  which  are relatively easy to reach with common solvents. On the  other  hand,  for  the  synthesis  of  CdX  nanorods  and  nan‐ owires  in  solution  phase,  Bi  has  traditionally  been  used  due  to  its  lower  melting  temperatures.  In  principle,  Au  nanoparticles could also be used for these syntheses since  Au  also  forms  an  eutectic  alloy  with  Cd  with  a  AuCd2.3  composition and a melting temperature of 505 °C.52 How‐ ever, both the high amount of Cd to be diffused within Au  to  reach  the  eutectic  composition  and  its  high  melting  temperature have severely limited the Au‐assisted growth  of Cd‐based nanowires in solution phase so far.   Interestingly, our results confirm that Au NCs can cata‐ lyze  the  elongated  growth  of  Cd‐based  semiconductor  materials  in  solution  as  well.  However,  and  considering  that  the  eutectic  AuCd2.3  composition  has  not  been  ob‐ served  at  any  stage  of  the  reaction,  it  is  not  clear  what  mechanism is actually operating for such growth and two  possibilities  should  be  considered:  first,  if  only  surface  diffusion of Cd atoms is assumed, a very thin surface layer  of  Au  nanoparticles  could  eventually  reach  the  eutectic  alloy composition. In that case, and as a result of the very  confined dimensions of  this alloy  shell, the  melting  tem‐ perature  of  the  eutectic  could  drop  even  below  its  own  bulk  melting  temperature  of  505  °C,  due  to  the  well  known  size‐dependent  melting‐point  supression,53‐54  and  it could shift  closer  to the  present  reaction  temperatures  of 250 or 300 °C. The surface liquid alloy would then cata‐

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

lyze  the  growth  of  the  semiconductor  domain  with  an  elongated shape through a classical SLS approach. Never‐ theless,  the  observed  dispersion  of  lengths  and  the  pres‐ ence of defects all along the semiconductor domain of the  HNCs could possibly suggest that the melting of the sur‐ face layer is unlikely to be homogeneous. This possibility  may be favored by the effect of relatively low temperature  of reaction on Au seeds with small differences in size and  with  thermodynamically  non‐equivalent  crystallographic  surface  facets.  Alternatively,  a  Solution‐Solid‐Solid  (SSS)  approach could explain these results as well. In that case  the melting of the metallic  alloy does not take  place and  thus, the eutectic composition is not strictly required: Cd  atoms  would  diffuse  in  the  solid  state  through  the  Au  lattice,55  either  through  the  surface  or  into  the  bulk  de‐ pending  on  reaction  temperature  and  amount  of  QDs  injected,  forming  a  single  crystal  alloy  structure  with  a  composition up to AuCd, as observed by HRTEM (Figure  4e), which would better accommodate the Cd‐based sem‐ iconductor  lattice  catalyzing  its  elongated  growth.  The  SSS mechanism was reported for the first time by Wang et  al.  in  2013  for  the  growth  of  Cd  and  Zn‐based  chalcogenide  nanowires  catalyzed  by  solid‐phase  Ag2Se  superionic conductor NCs in solution,56 but no equivalent  examples with metallic seeds have been reported yet. The  experimental  evidences  collected  in  the  present  work  discard  the  classical  heterogeneous  nucleation  mecha‐ nism,  but  they  are  not  sufficient  to  discern  between  SLS  and  SSS  mechanisms,  and  further  experiments  are  un‐ derway to clarify this point.   CONCLUSIONS  In summary, this work demonstrates that Au nanopar‐ ticles  are  suitable  metallic  materials  for  the  catalyzed  growth of long 1D CdX nanostructures in solution, avoid‐ ing the need for low melting point metallic NCs such as Bi  or In,  or hard  reaction  conditions of VLS  or supercritical  fluid‐liquid‐solid (SFLS) approaches. The reaction is driv‐ en  by  the  fine  physicochemical  equilibrium  between  QD  precursors,  molecular  monomers,  AuxCdy  catalytic  seeds  and epitaxially grown elongated AuxCdy‐CdX HNCs. It has  been  observed  that  this  equilibrium  can  be  displaced  by  controlling  reaction  conditions  such  as  temperature,  concentration of QDs, polarity of solvent and structure of  the  alkylamine  used  as  surfactant.  Additionally,  the  ap‐ proach  described  here  opens  the  doors  for  the  synthesis  of more complex heterostructures made of more than one  semiconductor  material.  The  method  represents  a  new  chance for Au NCs to become catalytic sites for the SLS or  SSS‐based  elongated  growth  of  semiconductor  materials  in solution phase. Ag, Cu, Pt, Pd, Ni or Sn, just like Cd, all  show a certain degree of miscibility with Au and thus the  validation  of  the  current  methodology  for  the  growth  of  their  corresponding  semiconductor  materials  deserves  further  attention  and  will  become  the  target  of  future  studies.  Solar  cells,  photocatalytic  systems  and  thermoe‐ lectric  devices  could  greatly  benefit  from  these  new  col‐ loidal  nanostructures  with  large,  epitaxial  and  thus  unique metal‐semiconductor interfaces. 

ASSOCIATED CONTENT   Supporting  Information.  Experimental  details,  results  on  control experiment without Au, Au‐CdSe HNCs growth evo‐ lution with time and with amount of QDs injected, effect of  the  chain  structure  of  the  amine  surfactant,  results  on  Au‐ CdSe  HNCs  obtained  from  oleic  acid‐stabilized  CdSe  QDs,  HRTEM  studies  on  Au‐CdSe  HNCs  obtained  with  low  amounts of injected  CdSe  QDs, results obtained  from  injec‐ tion  of  chalcogenide  materials  other  than  CdSe,  HRTEM  images of 3‐domain HNCs, results obtained from injection of  Cd  and  Se  molecular  species  as  precursors  instead  of  CdSe  QDs. This material is available free of charge via the Internet  at http://pubs.acs.org.  

AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  * [email protected] 

Notes  The authors declare no competing financial interest. 

ACKNOWLEDGMENT   We  acknowledge  financial  support  from  the  Spanish  MINECO  through  CTQ2012‐32247  and  from  the  Generalitat  de  Catalunya  through  2014  SGR  129.  A.  F.  acknowledges  the  Spanish MINECO for a Ramón y Cajal Fellowship (RYC‐2010‐ 05821). V. F‐A. acknowledges the European Comission for the  Career  Development  Allowance  under  the  Marie  Curie  Pro‐ gramme (MRTN‐CT‐2005‐019283).  Some  of  the TEM experi‐ ments  were  carried  out  in  the  Scientific  and  Technological  Centers  of  the  University  of  Barcelona  (CCiT‐UB),  with  fi‐ nancial support of CSD2009‐00013 and MAT2010‐16407 Span‐ ish research projects. 

REFERENCES  (1) Jun, Y.‐w.; Choi, J.‐s.; Cheon, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2006,  45, 3414‐3439.  (2) Wang, X.; Zhuang, J.; Peng, Q.; Li, Y. Nature 2005, 437, 121‐ 124.  (3) Kumar, S.; Nann, T. Small 2006, 2, 316‐329.  (4) Hughes,B. K.; Luther, J. M.; Beard, M. C. ACS Nano 2012, 6,  4573‐4579.  (5) Huynh, W. U.; Dittmer, J. J.; Alivisatos, A. P. Science 2002,  295, 2425‐2427.  (6) Krahne, R.; Morello, G.; Figuerola, A.; George, C.; Deka, S.;  Manna, L. Phys. Rep. 2011, 501, 75‐221.  (7)  Salant,  A.;  Shalom,  M.;  Tachan,  Z.;  Buhbut,  S.;  Zaban,  A.;  Banin, U. Nano Lett. 2012, 12, 2095‐2100.  (8) Xiang, X.; Chou, L.; Li, X. Phys.Chem. Chem. Phys. 2013, 15,  19545‐19549.  (9) Costi, R.; Cohen, G.; Salant, A.; Rabani, E.; Banin, U. Nano  Lett. 2009, 9, 2031‐2039.  (10)  Costi,  R.;  Saunders,  A.  E.;  Elmalem,  E.; Salant, A.;  Banin,  U. Nano Lett. 2008, 8, 637‐641.  (11) Wang, F.; Dong, A.; Sun, J.; Tang, R.; Yu, H.; Buhro, W. E.  Inorg. Chem. 2006, 45, 7511‐7521.  (12) Trentler, T. J.; Hickman, K. M.; Goel, S. C.; Viano, A. M.;  Gibbons, P. C.; Buhro, W. E. Science 1995, 270, 1791–1794.  (13) Wagner, R. S.; Ellis, W. C. Appl. Phys. Lett. 1964, 4, 89‐90.  (14) Gudiksen, M. S.; Lieber, C. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122,  8801‐8802.  (15)  Zhao,  P.;  Li,  N.;  Astruc,  D.  Coord.  Chem.  Rev.  2013,  257,  638‐665. 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

(16) Holmes, J.; Johnston, K. P.; Doty, R. C.; Korgel, B. A. Sci‐ ence 2000, 287, 1471‐1473.  (17) Hanrath, T.; Korgel, B. A. Adv. Mater. 2003, 15, 437‐440.  (18)  Chockla,  A.  M.;  Korgel,  B.  A.  J.  Mater.  Chem.  2009,  19,  996–1001.  (19)  Shweky,  I.;  Aharoni,  A.;  Mokari,  T.;  Rothenberg,  E.;  Nadler,  M.;  Popov,  I.;  Banin,  U.  Mat.  Sci.  Eng.  C  2006,  26,  788‐ 794.  (20) Yu, H.; Li, J.; Loomis, R. A.; Gibbons, P. C.; Wang, L.‐W.;  Buhro, W. E. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 16168‐16169.  (21) Ouyang, L.; Maher, K. N.; Yu, C. L.; McCarty, J.; Park, H. J.  Am. Chem. Soc. 2007, 129, 133‐138.  (22)  Li,  Z.;  Kurtulus,  Ö.;  Fu,  N.;  Wang,  Z.;  Kornowski,  A.;  Pietsch, U.; Mews, A. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 3650‐3661.  (23) Wang F.; Buhro, W. E. Small 2010, 6, 573–581.  (24) Reim, N.; Littig, A.; Behn, D.; Mews, A. J. Am. Chem. Soc.  2013, 135, 18520‐18527.  (25) Yarema, M.; Kovalenko, M. V.; Hesser, G.; Talapin, D. V.;  Heiss, W. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15158–15159.  (26)  He,  M.;  Protesescu,  L.;  Caputo,  R.;  Krumeich,  F.;  Kovalenko, M. V. Chem. Mater. 2015, 27, 635–647.  (27)  Toudert,  J.;  Serna,  R.;  Jiménez  de  Castro,  M.  J.  Phys.  Chem. C 2012, 116, 20530‐20539.  (28)  McMahon,  J.  M.;  Schatz,  G.  C.;  Gray,  S.  K.  Phys.  Chem.  Chem. Phys. 2013, 15, 5415‐5423.  (29) Mokari, T.; Rothenberg, E.; Popov, I.; Costi, R.; Banin, U.  Science 2004, 304, 1787‐1790.  (30) Mokari, T.; Sztrum, C. G.; Salant, A.; Rabani, E.; Banin, U.  Nature Mater. 2005, 4, 855‐863.  (31) Figuerola, A.; van Huis, M.; Zanella, M.; Genovese, A.; Ma‐ rras,  S.;  Falqui,  A.;  Zandbergen,  H.W.;  Cingolani,  R.;  Manna,  L.  Nano Lett. 2010, 10, 3028‐3036.   (32) van Huis, M. A.; Figuerola, A.; Fang, C.; Béché, A.; Zand‐ bergen, H. W.; Manna, L. Nano Lett. 2011, 11, 4555‐4561.  (33) Kim, M.; Phan, V. N.; Lee, K. Cryst. Eng. Comm. 2012, 14,  7535‐7548.  (34)  Robinson,  R.  D.;  Sadtler,  B.;  Demchenko,  D.  O.;  Erdonmez, C. K.; Wang, L.‐W.; Alivisatos, A. P. Science 2007, 317,  355‐358.  (35)  Li,  H.;  Zanella,  M.;  Genovese,  A.;  Povia,  M.;  Falqui,  A.;  Giannini, C.; Manna, L. Nano Lett. 2011, 11, 4964‐4970.  (36)  Yin,  Y.;  Rioux,  R.  M.;  Erdonmez,  C.  K.;  Hughes,  S.;  Somorjai, G. A.; Alivisatos, A. P. Science 2004, 304, 711‐714.  (37) Seo, K.; Bagkar, N.; Kim, S.‐i.; In, J.; Yoon, H.; Jo, Y.; Kim,  B. Nano Lett. 2010, 10, 3643‐3647.  (38)  Wagner,  J.  B.;  Willinger,  M.‐G.;  Müller,  J.‐O.;  Su,  D.  S.;  Schlögl, R. Small 2006, 2, 230‐234.  (39) Ostwald, W. Z. Z. Phys. Chem. 1901, 37, 385.  (40)  Saruyama,  M.;  Kanehara,  M.;  Teranishi,  T.  J.  Am.  Chem.  Soc. 2010, 132, 3280‐3282.   (41) Carbone, L.; Nobile, C.; De Giorgi, M.; Della Sala, F.; Mo‐ rello, G.; Pompa, P.; Hytch, M.; Snoeck, E.; Fiore, A.; Franchini, I.  R.; Nadasan, M.; Silvestre, A. F.; Chiodo, L.; Kudera, S.; Cingola‐ ni, R.; Krahne, R.; Manna, L. Nano Lett. 2007, 7, 2942‐2950.  (42)  Yu,  H.;  Chen,  M.;  Rice,  P.M.;  Wang,  S.X.;  White,  R.L.;  Sun, S.H. Nano Lett. 2005, 5, 379‐382.  (43)  Kriegel,  I.;  Jiang,  C.Y.;  Rodriguez‐Fernandez,  J.;  Schaller,  R.D.; Talapin, D.V.; da Como, E.; Feldmann, J. J. Am. Chem. Soc.  2012, 134, 1583‐1590.  (44)  Yaws,  C.  L.  Thermophysical  properties  of  chemicals  and  hydrocarbons; Norwich (USA), William Andrew, 2008.  (45)  Franchini,  I.  R.;  Bertoni,  G.;  Falqui,  A.;  Giannini,  C.;  Wang, L. W., Manna, L. J. Mater. Chem. 2010, 20, 1357‐1366.  (46)  Chen,  Y.;  Palmer,  R.  E.;  Wilcoxon,  J.  P.  Langmuir  2006,  22, 2851–2855.   (47)  Baletto,  F.;  Mottet,  C.;  Ferrando,  R.  Surf.  Sci.  2000,  446,  31–45. 

Page 10 of 11

(48) Feser, J. P.; Chan, E. M.; Majumdar, A.; Segalman, R. A.;  Urban, J. J. Nano Lett. 2013, 13, 2122‐2127.  (49) Zhao, L.‐D.; Hao, S.; Lo, S.‐H.; Wu, C.‐I.; Zhou, X.; Lee, Y.;  Li, H.; Biswas, K.; Hogan, T. P.; Uher, C.; Wolverton, C.; Dravid,  V. P.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 7364‐7370.  (50)  Guardia,  P.;  Korobchevskaya,  K.;  Casu,  A.;  Genovese,  A.;  Manna, L.; Comin, A. ACS Nano 2013, 7, 1045‐1053.  (51) Lu, W.; Wang, B.; Zeng, J.; Wang, X.; Zhang, S.; Hou, J. G.  Langmuir 2005, 21, 3684‐3687. (52)  ASM  Handbook,  Volume  3:  Alloy  Phase  Diagrams  (ed  Baker, H.) (ASM International, Ohio, USA, 10th edition).  (53) Cleveland, C. L.; Luedtke, W. D.; Landman, U. Phys. Rev.  B 1999, 60, 5065‐5077. (54) Dick,  K.;  Dhanasekaran,  T.;  Zhang,  Z.;  Meisel,  D.  J.  Am.  Chem. Soc. 2002, 124, 2312‐2317.  (55) Persson, A. I.; Larsson, M. W.; Stenstrom, S.; Ohlsson, B.  J.; Samuelson, L.; Wallenberg, L. R. Nat. Mater. 2004, 3, 677‐681.  (56) Wang, J.; Chen, K.; Gong, M.; Xu, B.; Yang, Q. Nano Lett.  2013, 13, 3996‐4000.       

ACS Paragon Plus Environment

Page 11 of 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

TOC GRAPHIC 

 

11

ACS Paragon Plus Environment