Spin-exchange carrier multiplication in manganese-doped colloidal quantum dots

多激子产生 激子 材料科学 量子点 交换互动 凝聚态物理 自旋(空气动力学) 分子物理学 化学物理 化学 物理 光电子学 铁磁性 热力学
作者
Ho Jin,Clément Livache,Whi Dong Kim,Benjamin T. Diroll,Richard D. Schaller,Victor I. Klimov
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:22 (8): 1013-1021 被引量:51
标识
DOI:10.1038/s41563-023-01598-x
摘要

Carrier multiplication is a process whereby a kinetic energy of a carrier relaxes via generation of additional electron-hole pairs (excitons). This effect has been extensively studied in the context of advanced photoconversion as it could boost the yield of generated excitons. Carrier multiplication is driven by carrier-carrier interactions that lead to excitation of a valence-band electron to the conduction band. Normally, the rate of phonon-assisted relaxation exceeds that of Coulombic collisions, which limits the carrier multiplication yield. Here we show that this limitation can be overcome by exploiting not 'direct' but 'spin-exchange' Coulomb interactions in manganese-doped core/shell PbSe/CdSe quantum dots. In these structures, carrier multiplication occurs via two spin-exchange steps. First, an exciton generated in the CdSe shell is rapidly transferred to a Mn dopant. Then, the excited Mn ion undergoes spin-flip relaxation via a spin-conserving pathway, which creates two excitons in the PbSe core. Due to the extremely fast, subpicosecond timescales of spin-exchange interactions, the Mn-doped quantum dots exhibit an up-to-threefold enhancement of the multiexciton yield versus the undoped samples, which points towards the considerable potential of spin-exchange carrier multiplication in advanced photoconversion.
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