Exciton Dissociation, Charge Transfer, and Exciton Trapping at the MoS2/Organic Semiconductor Interface

激子 单层 异质结 光致发光 材料科学 半导体 激发态 载流子 比克西顿 化学物理 光电子学 分子物理学 化学 原子物理学 纳米技术 凝聚态物理 物理
作者
Damon M. de Clercq,Jiong Yang,Muhammad Hanif,Jessica Alves,Jiale Feng,Michael P. Nielsen,Kourosh Kalantar‐zadeh,Timothy W. Schmidt
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (23): 11260-11267 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c01682
摘要

Hybrid inorganic–organic semiconducting devices consisting of monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) represent a new frontier in advanced optoelectronics due to their high radiative efficiencies and capacity to form flexible p–n junctions with inherent device tunability. However, understanding how excitons and charges behave at the interface between TMDs and organic systems, a key requirement to advance the field, remains underexplored. Herein, a heterostructure consisting of a highly conjugated organic system, 9-(2-naphthyl)-10-[4-(1-naphthyl)phenyl]anthracene (ANNP), and monolayer molybdenum disulfide (MoS2) on quartz is elucidated via transient absorption and photoluminescence spectroscopies. Upon direct excitation of MoS2 at 532 nm, hole transfer to ANNP of ∼5 ps and a charge separation time constant of ∼2.4 ns are observed. When the sample is excited at 400 nm (where both ANNP and MoS2 absorb), a self-trapped exciton within ANNP is formed. The emission of the self-trapped exciton is long-lived compared to the exciton lifetime of ANNP, decaying within 20 ns. The trapping of the ANNP exciton is caused by structural deformities of the ANNP crystal lattice when grown on MoS2, which are removed by annealing the film. These observations highlight how exciton dissociation and charge transfer dominate at the interface of ANNP and MoS2 whereas the exciton dynamics within ANNP are prone to the formation of trap states brought about by crystal defects within the film. These insights will aid in future developments of TMD-containing optoelectronics.
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