Beyond Vibrationally Mediated Electron Transfer: Coherent Phenomena Induced by Ultrafast Charge Separation

Wave packet propagation succeeding electron transfer (ET) from alizarin dye molecules into the nanocrystalline TiO2 semiconductor has been studied by ultrafast transient absorption spectroscopy. Due to the ultrafast time scale of the ET reaction of about 6 fs the system shows substantial differences to molecular ET systems. We show that the ET process is not mediated by molecular vibrations and therefore classical ET theories lose their applicability. Here the ET reaction itself prepares a vibrational wave packet and not the electromagnetic excitation by the laser pulse. Furthermore, the generation of phonons during polaron formation in the TiO2 lattice is observed in real time for this system. The presented investigations enable an unambiguous assignment of the involved photoinduced mechanisms and can contribute to a corresponding extension of molecular ET theories to ultrafast ET systems like alizarin/TiO2.Comment: This work was supported by the German Research Foundation (DFG) (Hu 1006/6-1, WA 1850/6-1) and European Union projects FDML-Raman (FP7 ERC StG, contract no. 259158) and ENCOMOLE-2i (Horizon 2020, ERC CoG no. 646669

Discrimination between FRET and non-FRET quenching in a photochromic CdSe quantum dot/dithienylethene dye system

A photochromic Förster resonance energy transfer (FRET) system was employed to disentangle the fluorescence quenching mechanisms in quantum dot/photochromic dye hybrids. In the off-state of the dye the main quenching mechanism is FRET whereas the moderate quenching in the on-state is due to non-FRET pathways opened up upon assembly

Elektronentransfer zwischen CdSe-Quantenpunkten und Methylviologen

Es wurde die Photodynamik freier kolloidaler CdSe Quantenpunkte sowie die Elektronentransfer(ET)-Dynamik im System bestehend aus CdSe Quantenpunkten und adsorbiertem Methylviologen mit Hilfe der Femtosekunden-Laserspektroskopie im sichtbaren Spektralbereich untersucht. Die freien CdSe Quantenpunkte wiesen eine multiphasische Rekombinationsdynamik der photoinduzierten Exzitonen auf, was durch das Vorhandensein von Quantenpunkten mit unterschiedlichem Passivierungsgrad innerhalb einer Quantenpunktprobe erklärt wurde. Sowohl die Rekombinationsdynamik des Exzitons als auch die Intraband-Relaxation von Elektron und Loch besaßen eine Abhängigkeit von der Partikelgröße. Die 1P-1S-Relaxationzeit des Elektrons betrug in Partikeln mit Durchmessern von 3 nm und 6,3 nm 0,12 ps bzw. 0,24 ps, woraus sich Energieverlustraten von 1,0 eV/ps und 3,8 eV/ps berechnen ließen. Die sehr schnelle Natur der 1P-1S-Relaxation und die gefundene Größenabhängigkeit stehen im Einklang mit dem vermuteten Auger-artigen Energietransfer vom hochangeregten Elektron auf das Loch. Durch diesen Prozess kann das theoretisch vorhergesagte „phonon bottleneck“ effizient umgangen werden. Zudem konnte eine größenabhängige Biexziton-Bindungsenergie zwischen 40 meV und 28 meV ermittelt werden. Die Untersuchung von Multiexzitonen in CdSe Quantenpunkten zeigte einen schnellen Zerfallskanal. Es handelt es sich um die Auger-Rekombination. Die Rekombination nach 1P-Anregung wurde in Form von sequenziellen Schritten N, N-1, N-2,..., 1 interpretiert. Für das System bestehend aus CdSe Quantenpunkten und adsorbiertem Methylviologen wurde war eine Zunahme der ET-Rate bei steigender Akzeptorkonzentration zu beobachten, die mit der Zunahme von Akzeptorzuständen erklärt werden kann. Ferner wurde eine maximale ET-Rate erreicht, die bei einer weiteren Erhöhung der Akzeptorkonzentration nicht überschritten wird. In weiteren Versuchsreihen konnte gezeigt werden, dass die Größe der Partikel einen Einfluss auf den ET-Prozess zwischen Quantenpunkt und Methylviologen hat. Eine kombinierte Studie, in der sowohl das Quantenpunkt/Methylviologen-Verhältnis als auch die Quantenpunktgröße variiert wurde, verdeutlichte, dass eine Verkleinerung der Partikel zu einem Anstieg der ET-Rate führt. Die Variation der Partikelgröße geht mit einer Veränderung der Triebkraft der ET-Reaktion im gekoppelten System einher. Der gefundene Zusammenhang zwischen der Triebkraft der Reaktion und der ET-Rate ist gut mit der Marcus-Theorie vereinbar. In einer Serie von Experimenten am Quantenpunkt/Methylviologen ET-System wurde die Anregpulsenergie variiert, um den Einfluss von Multiexzitonen auf den Elektronentransfer zu untersuchen. Es zeigte sich, dass nach Mehrfachanregung der Quantenpunkte die Separation von bis zu vier Elektron-Loch-Paaren möglich ist. Für den Elektronentransfer im untersuchten ET-System wurde eine ET-Zeit von ca. 200 fs ermittelt. Diese ist deutlich kürzer als die gefundenen Auger-Rekombinationszeiten, die sich zwischen 1,5 ps und 5 ps bewegen. In einer Studie an CdSe/CdS Kern/Schale Partikeln wurde der Einfluss einer passivierenden anorganischen Schale auf den ET-Prozess untersucht. Bei der gewählten Heterostruktur handelte es sich um Typ I Kern/Schale Partikel, in denen sowohl Elektron und Loch hauptsächlich im Kern eingeschlossen sind. Es wurde ein exponentieller Abfall der ET-Rate mit wachsender Schalendicke beobachtet, weshalb davon auszugehen ist, dass die CdS-Schale als elektronische Barriere wirkt, durch die das photoangeregte Elektron tunneln muss, um mit dem Akzeptor reagieren zu können. Schließlich wurde der Einfluss des Elektronentransfers im ET-System auf die Entstehung von Phononen untersucht. Sowohl in freien Quantenpunkten als auch im gekoppelten System konnte das LO sowie das LA Phonon beobachtet werden, wobei das LA Phonon im gekoppelten System stark unterdrückt ist. Im Falle der freien Quantenpunkte sind die beobachteten Oszillationen eine Folge der Frequenzmodulation der Absorption des angeregten Zustandes. Mit Hilfe des Huang-Rhys-Parameters ließ sich ermitteln, wie stark in freien Quantenpunkten das LO Phonon an das Exziton gekoppelt ist. Der berechnete Huang-Rhys-Parameter betrug 0,012. Im Falle des gekoppelten Systems weist die spektrale Signatur der kohärenten Oszillationen darauf hin, dass diese durch die Frequenzmodulation der linearen QP-Absorption verursacht werden. Im Falle des gekoppelten Systems sind die beobachteten Phononen nicht an das Exziton sondern an die ET-Reaktion gekoppelt, d. h. der ET selbst induziert Gitterschwingungen im Reaktionsprodukt. Der berechnete Huang-Rhys-Parameter, der die ET-Phonon-Kopplung beschreibt, berechnete sich ebenfalls zu 0,012, was verdeutlicht, dass die ET-Phonon-Kopplung ähnlich stark wie die Exziton-Phonon-Kopplung ist. Mit Hilfe der spektralen Abhängigkeit der Oszillationen in freien Quantenpunkten und im gekoppelten System ließ sich eine Biexziton-Bindungsenergie von 35 meV berechnen

Electron Wave Functions in Heteronano-structures Control the Electron Transfer Dynamics

Electron transfer dynamics in CdTe/CdSe and CdSe/CdS core/shell heteronanostructures decorated with molecular acceptors are determined via transient absorption spectroscopy. The CdSe shell accelerates the electron transfer whereas the CdS shell leads to a retardation

Coherent phonons in CdSe quantum dots triggered by ultrafast electron transfer

The origin of coherent oscillations in CdSe quantum dots and in the CdSe/methylviologen electron transfer system is studied. In CdSe/methylviologen coherent phonons are triggered by the electron transfer from the quantum dot to methylviologen

Electron Wave Functions in Heteronano-structures Control the Electron Transfer Dynamics

Electron transfer dynamics in CdTe/CdSe and CdSe/CdS core/shell heteronanostructures decorated with molecular acceptors are determined via transient absorption spectroscopy. The CdSe shell accelerates the electron transfer whereas the CdS shell leads to a retardation

Electron wave functions in heteronano-structures control the electron transfer dynamics

Electron transfer dynamics in CdTe/CdSe and CdSe/CdS core/shell heteronanostructures decorated with molecular acceptors are determined via transient absorption spectroscopy. The CdSe shell accelerates the electron transfer whereas the CdS shell leads to a retardation