The capping ligands on quantum dots (QDs) play a critical role in determining their stability and properties, making the ligand exchange process pivotal. However, rational design rules for selecting ligands to effectively passivate QD surfaces are lacking. In this study, we employ first-principles density functional theory and many-body perturbation theory to systematically examine how various ligands affect surface passivation and modulate the electronic and optical properties of QDs. We focus on the (111) and (100) facets of zinc-blende CdS QDs and survey several common ligands: chlorine (−Cl), amine (−NH₂), oleic acid [CH₃(CH₂)₇CH = CH(CH₂)₇COOH], stearic acid [CH₃(CH₂)₁₆COOH], and thioglycolic acid (HS–CH₂–COOH). We elucidate the trends in surface passivation based on an electron counting argument. We discuss different effects associated with the ligand exchange, including the interface dipole, ligand binding mode, and many-body interactions. Our work provides structure–property relationships to pave the way for the rational design of effective QD ligands.

中文翻译：

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从第一性原理了解 CdS 量子点中的配体交换和表面钝化


量子点 （QD） 上的加帽配体在确定其稳定性和性质方面起着关键作用，这使得配体交换过程变得至关重要。然而，缺乏选择配体以有效钝化 QD 表面的合理设计规则。在这项研究中，我们采用第一性原理密度泛函理论和多体微扰理论来系统地研究各种配体如何影响表面钝化并调节 QD 的电子和光学特性。我们重点介绍闪锌矿 CdS QD 的 （111） 和 （100） 个方面，并研究了几种常见的配体：氯 （−Cl）、胺 （−NH₂）、油酸 [CH₃（CH₂）₇CH = CH（CH₂）₇COOH]、硬脂酸 [CH₃（CH₂）₁₆COOH] 和巯基乙酸 （HS–CH₂–COOH）。我们基于电子计数论点阐明了表面钝化的趋势。我们讨论了与配体交换相关的不同效应，包括界面偶极子、配体结合模式和多体相互作用。我们的工作提供了结构-性能关系，为合理设计有效的 QD 配体铺平了道路。