High-efficiency photoemission from magnetically doped quantum dots driven by multi-step spin-exchange Auger ionization

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作者
Clément Livache,Whi Dong Kim,Ho Jin,Oleg V. Kozlov,Igor Fedin,Victor I. Klimov
出处
期刊:Nature Photonics [Springer Nature]
卷期号:16 (6): 433-440 被引量:21
标识
DOI:10.1038/s41566-022-00989-x
摘要

Materials displaying electron photoemission under visible-light excitation are of great interest for applications in photochemistry, photocathodes, advanced electron beam sources and electron microscopy. We demonstrate that in manganese-doped CdSe colloidal quantum dots (CQDs), two-step Auger up-conversion enables highly efficient electron photoemission under excitation with visible-light pulses. This effect is enabled by extremely fast, subpicosecond Auger-type energy transfer from excited manganese ions to an intrinsic CQD exciton. Since the rate of this process outpaces that of intraband cooling, the high-energy ‘hot’ electron produced by the first Auger-excitation step can be efficiently promoted further into the external ‘vacuum’ state via one more manganese-to-CQD energy-transfer step. This CQD ionization pathway exploits exceptionally large uphill energy gain rates associated with the spin-exchange Auger process and leads to photoemission efficiencies of more than 3%, orders of magnitude greater than in the case of undoped CQDs. We demonstrate that using this phenomenon, we can achieve high-yield production of solvated electrons (>3% internal quantum efficiency), which makes it of considerable utility in visible-light-driven reduction photochemistry.

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