journal article·2025Open access

Bimodal interfacial charge transfer in quantum dot heterostructures revealed by donor-/acceptor-specific broadband transient absorption spectroscopy

Conner P. Dykstra, Thomas C. Rossi, Michael J. Enright, Josh Vura-Weis, Renske M. van der Veen

Nanoscale· Volume 17· Issue 30

Abstract

Quantum dot sensitized metal-oxide heterostructures offer an attractive platform for harvesting carriers from solar energy. Interfacial charge transfer processes lie at the heart of solar energy conversion using heterostructured nanomaterials, yet they are poorly understood and difficult to study. Here we employ broadband optical transient absorption spectroscopy, spanning a wavelength range that covers both quantum-dot donor and metal-oxide acceptor band gaps, enabling a selective view of charge transfer across the interface of CdSe-sensitized ZnO nanorods. This allows us to reveal a bimodal charge injection mechanism: a fast (<1 ps) indirect charge injection pathway populates an optically dark intermediate state, and a direct charge injection pathway on the tens of ps time scale without an observable intermediate state. The bimodal charge injection kinetics are attributed to heterogeneity of ZnO acceptor states. Our results deepen the understanding of the role of donor and acceptor states in heterostructured nanomaterials and pave the way for the rational design and control of charge transfer across complex interfaces and their application in optoelectronic devices.
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Research context

OpenAlex topics: Quantum Dots Synthesis And Properties · Semiconductor Quantum Structures and Devices · Molecular Junctions and Nanostructures

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Affiliations

Department of Chemistry and Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, 61801 Urbana, USA

Department of Atomic-Scale Dynamics in Light-Energy Conversion, Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, 14109 Berlin, Germany

Department of Chemistry and Biochemistry, San Francisco State University, 94132 San Francisco, USA

Institute of Optics and Atomic Physics, Technical University of Berlin, 10623 Berlin, Germany

Funding

Basic Energy Sciences · Helmholtz-Gemeinschaft · Division of Chemistry

References (88)

Show source-provided references
1. Rehman · Energy Adv. · 2023 · 2 · 123910.1039/D3YA00179B ↗
2. Mora-Seró · Adv. Energy Mater. · 2020 · 10 · 200177410.1002/aenm.202001774 ↗
3. Selinsky · Chem. Soc. Rev. · 2013 · 42 · 296310.1039/C2CS35374A ↗
4. Klimov · Science · 2000 · 287 · 101110.1126/science.287.5455.1011 ↗
5. Klimov · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2008 · 77 · 19532410.1103/PhysRevB.77.195324 ↗
6. Kirschner · Nano Lett. · 2017 · 17 · 531410.1021/acs.nanolett.7b01705 ↗
7. Nozik · Chem. Rev. · 2010 · 110 · 687310.1021/cr900289f ↗
8. Sambur · Science · 2010 · 330 · 6310.1126/science.1191462 ↗
9. Selopal · Adv. Funct. Mater. · 2020 · 30 · 190876210.1002/adfm.201908762 ↗
10. Mariotti · Science · 2023 · 381 · 6310.1126/science.adf5872 ↗
11. Gregg · J. Phys. Chem. B · 2003 · 107 · 468810.1021/jp022507x ↗
12. Fan · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 1634910.1021/jp405557b ↗
13. Chou · J. Phys. Chem. C · 2007 · 111 · 1880410.1021/jp076724f ↗
14. Ponseca · Chem. Rev. · 2017 · 117 · 1094010.1021/acs.chemrev.6b00807 ↗
15. Guo · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 1109510.1021/jp200926u ↗
16. Law · Nat. Mater. · 2005 · 4 · 45510.1038/nmat1387 ↗
17. Heinhold · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 2457510.1021/jp507820m ↗
18. Zhang · Chem. Rev. · 2012 · 112 · 552010.1021/cr3000626 ↗
19. Mahl · ACS Appl. Nano Mater. · 2021 · 4 · 1221310.1021/acsanm.1c02730 ↗
20. Consonni · Nanotechnology · 2019 · 30 · 36200110.1088/1361-6528/ab1f2e ↗
21. Ozgur · J. Appl. Phys. · 2005 · 98 · 04130110.1063/1.1992666 ↗
22. Wei · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 816510.1021/jacs.6b03524 ↗
23. Stockwell · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 656010.1021/jp912133r ↗
24. Virkki · R. Soc. Open Sci. · 2018 · 5 · 18032310.1098/rsos.180323 ↗
25. Němec · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 104 · 19740110.1103/PhysRevLett.104.197401 ↗
26. Piersimoni · J. Phys. Chem. Lett. · 2015 · 6 · 50010.1021/jz502657z ↗
27. Hörmann · Phys. Rev. B · 2018 · 98 · 15531210.1103/PhysRevB.98.155312 ↗
28. Žídek · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1211010.1021/ja3029679 ↗
29. N. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2017 · 19 · 600610.1039/C6CP07509F ↗
30. Schnitzenbaumer · Nano Lett. · 2018 · 18 · 366710.1021/acs.nanolett.8b00800 ↗
31. Zhu · Annu. Rev. Phys. Chem. · 2016 · 67 · 25910.1146/annurev-physchem-040215-112128 ↗
32. Abdellah · J. Phys. Chem. Lett. · 2013 · 4 · 176010.1021/jz4006459 ↗
33. Furube · J. Phys. Chem. B · 2004 · 108 · 1258310.1021/jp0487713 ↗
34. Lian · J. Phys. Chem. C · 2019 · 123 · 592310.1021/acs.jpcc.9b00210 ↗
35. Honarfar · ACS Appl. Energy Mater. · 2020 · 3 · 1252510.1021/acsaem.0c02478 ↗
36. Taheri · J. Phys. Chem. C · 2021 · 125 · 3110.1021/acs.jpcc.0c07037 ↗
37. Ucer · Phys. Status Solidi B · 2008 · 245 · 268010.1002/pssb.200879895 ↗
38. Asbury · J. Phys. Chem. B · 1999 · 103 · 664310.1021/jp991625q ↗
39. Pijpers · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1886610.1021/jp108165g ↗
40. Žídek · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 2756710.1021/jp509242r ↗
41. Hansen · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 115710.1021/jz5001193 ↗
42. Baldini · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 1158410.1021/jacs.7b06322 ↗
43. Vayssieres · Adv. Mater. · 2003 · 15 · 46410.1002/adma.200390108 ↗
44. Kammel · J. Sci.: Adv. Mater. Devices · 2019 · 4 · 420
45. Baxter · Nanotechnology · 2006 · 1710.1088/0957-4484/17/11/S13 ↗
46. Han · Appl. Phys. Lett. · 2005 · 86 · 02191710.1063/1.1851616 ↗
47. Albaladejo-Siguan · Adv. Energy Mater. · 2021 · 11 · 200345710.1002/aenm.202003457 ↗
48. Shrager · J. Biochem. Biophys. Methods · 1998 · 36 · 15710.1016/S0165-022X(98)00007-4 ↗
49. R.Hyndman and G.Athanasopoulos , Forecasting: Principles and Practice , Otexts , 3rd edn, 2021
50. Jasieniak · J. Phys. Chem. C · 2009 · 113 · 1946810.1021/jp906827m ↗
51. Urbach · Phys. Rev. · 1953 · 92 · 132410.1103/PhysRev.92.1324 ↗
52. Herrfurth · Phys. Rev. Res. · 2021 · 3 · 01324610.1103/PhysRevResearch.3.013246 ↗
53. Dalchiele · Opt. Lett. · 2021 · 46 · 236010.1364/OL.422706 ↗
54. Toyoda · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 204710.1021/acs.jpcc.5b09528 ↗
55. Toyoda · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 1636710.1021/acs.jpcc.6b04130 ↗
56. Toyoda · Mater. Res. Express · 2022 · 9 · 02500510.1088/2053-1591/ac4f86 ↗
57. Tosi · Appl. Surf. Sci. · 2019 · 495 · 14359210.1016/j.apsusc.2019.143592 ↗
58. Mora-Fonz · J. Phys. Chem. C · 2015 · 119 · 1159810.1021/acs.jpcc.5b01331 ↗
59. Silva · Phys. Rev. B · 2018 · 98 · 15541610.1103/PhysRevB.98.155416 ↗
60. Neppl · J. Phys. Chem. Lett. · 2021 · 12 · 1195110.1021/acs.jpclett.1c02648 ↗
61. Fang · Appl. Surf. Sci. · 2015 · 332 · 4710.1016/j.apsusc.2015.01.139 ↗
62. Barnett · Mater. Lett. · 2021 · 301 · 13028810.1016/j.matlet.2021.130288 ↗
63. Carlson · J. Phys. Chem. C · 2008 · 112 · 841910.1021/jp7113434 ↗
64. Foglia · Struct. Dyn. · 2019 · 6 · 03450110.1063/1.5088767 ↗
65. Versteegh · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2011 · 84 · 03520710.1103/PhysRevB.84.035207 ↗
66. Zhu · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 425010.1021/ja210312s ↗
67. Grimaldi · Nano Lett. · 2019 · 19 · 300210.1021/acs.nanolett.9b00164 ↗
68. Morgan · J. Phys. Chem. C · 2020 · 124 · 844810.1021/acs.jpcc.0c02566 ↗
69. Labrador · J. Phys. Chem. C · 2020 · 124 · 843910.1021/acs.jpcc.0c01701 ↗
70. Tepliakov · Opt. Express · 2016 · 24 · A5210.1364/OE.24.000A52 ↗
71. Tvrdy · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2011 · 108 · 2910.1073/pnas.1011972107 ↗
72. Nagamine · ACS Photonics · 2022 · 9 · 15610.1021/acsphotonics.1c01293 ↗
73. Baker · Langmuir · 2010 · 26 · 1127210.1021/la100580g ↗
74. Cánovas · Chem. Phys. · 2016 · 471 · 5410.1016/j.chemphys.2015.11.005 ↗
75. Strothkämper · J. Phys. Chem. C · 2013 · 117 · 1790110.1021/jp402042a ↗
76. Kumar · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2016 · 18 · 2957110.1039/C6CP04610J ↗
77. Gundlach · Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. · 2007 · 88 · 48110.1007/s00339-007-4054-1 ↗
78. Borgwardt · Sci. Rep. · 2016 · 6 · 110.1038/srep24422 ↗
79. Greben · Appl. Spectrosc. Rev. · 2019 · 54 · 75810.1080/05704928.2018.1517263 ↗
80. Dominguez · J. Appl. Phys. · 2014 · 115 · 20372010.1063/1.4879676 ↗
81. Achtstein · Nanoscale · 2020 · 12 · 2352110.1039/D0NR04745G ↗
82. Lee · J. Phys. Chem. C · 2015 · 119 · 900510.1021/jp512634c ↗
83. Aldana · J. Am. Chem. Soc. · 2001 · 123 · 884410.1021/ja016424q ↗
84. Liang · Langmuir · 2012 · 28 · 1107210.1021/la301237p ↗
85. Tiwana · ACS Nano · 2011 · 5 · 515810.1021/nn201243y ↗
86. Mcneil · Nat. Photonics · 2010 · 4 · 81410.1038/nphoton.2010.239 ↗
87. Quintana · J. Phys. Chem. C · 2007 · 111 · 103510.1021/jp065948f ↗
88. Eyer · J. Phys. Chem. C · 2017 · 121 · 2195510.1021/acs.jpcc.7b07293 ↗