Triplet energy transfer (TET) from quantum dots (QDs) to molecular acceptors has received intense research interest because of its promising application as triplet sensitizers in photon up-conversion. Compared to QD band edge excitons, the role and mechanism of trap state mediated TET in QD-acceptor complexes have not been well understood despite the prevalence of trap states in many QDs. Herein, TET from trap states in CdSe QDs to adsorbed 9-anthracene carboxylic acid (ACA) is studied with steady state photoluminescence, transient absorption spectroscopy, and time-resolved photoluminescence. We show that both band edge and trap excitons undergo direct Dexter energy transfer to form the triplet excited state of ACA. The rate of TET decreases from (0.340 ± 0.002) ns−1 to (0.124 ± 0.004) ns−1 for trap excitons with decreasing energy from 2.25 eV to 1.57 eV, while the TET rate from band edge excitons is 13–37 times faster than trapped excitons. Despite slightly higher TET quantum efficiency from band edge excitons (∼100%) than trapped excitons (∼95%), the overall TET process from CdSe to ACA is dominated by trapped excitons because of their larger relative populations. This result demonstrates the important role of trap state mediated TET in nanocrystal sensitized triplet generation.

1.
C.
Wohnhaas
,
V.
Mailänder
,
M.
Dröge
,
M. A.
Filatov
,
D.
Busko
,
Y.
Avlasevich
,
S.
Baluschev
,
T.
Miteva
,
K.
Landfester
, and
A.
Turshatov
,
Macromol. Biosci.
13
(
10
),
1422
1430
(
2013
).
2.
Y. L.
Lin
,
M.
Koch
,
A. N.
Brigeman
,
D. M. E.
Freeman
,
L.
Zhao
,
H.
Bronstein
,
N. C.
Giebink
,
G. D.
Scholes
, and
B. P.
Rand
,
Energy Environ. Sci.
10
(
6
),
1465
1475
(
2017
).
3.
T. F.
Schulze
and
T. W.
Schmidt
,
Energy Environ. Sci.
8
(
1
),
103
125
(
2015
).
4.
T. N.
Singh-Rachford
and
F. N.
Castellano
,
Coord. Chem. Rev.
254
(
21-22
),
2560
2573
(
2010
).
5.
R. R.
Islangulov
,
D. V.
Kozlov
, and
F. N.
Castellano
,
Chem. Commun.
2005
(
30
),
3776
3778
.
6.
N.
Nishimura
,
V.
Gray
,
J. R.
Allardice
,
Z.
Zhang
,
A.
Pershin
,
D.
Beljonne
, and
A.
Rao
,
ACS Mater. Lett.
1
(
6
),
660
664
(
2019
).
7.
T. W.
Schmidt
and
F. N.
Castellano
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
(
22
),
4062
4072
(
2014
).
8.
S. H.
Lin
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
335
(
1600
),
51
(
1973
).
9.
M. E.
Sigman
and
G. L.
Closs
,
J. Phys. Chem.
95
(
13
),
5012
5017
(
1991
).
10.
R. D.
Harcourt
,
G. D.
Scholes
, and
K. P.
Ghiggino
,
J. Chem. Phys.
101
(
12
),
10521
10525
(
1994
).
11.
S. S.
Skourtis
,
C.
Liu
,
P.
Antoniou
,
A. M.
Virshup
, and
D. N.
Beratan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
(
29
),
8115
8120
(
2016
).
12.
L.
Cademartiri
,
E.
Montanari
,
G.
Calestani
,
A.
Migliori
,
A.
Guagliardi
, and
G. A.
Ozin
,
J. Am. Chem. Soc.
128
(
31
),
10337
10346
(
2006
).
13.
W. W.
Yu
,
L.
Qu
,
W.
Guo
, and
X.
Peng
,
Chem. Mater.
15
(
14
),
2854
2860
(
2003
).
14.
J.
Jasieniak
,
M.
Califano
, and
S. E.
Watkins
,
ACS Nano
5
(
7
),
5888
5902
(
2011
).
15.
A. L.
Efros
,
M.
Rosen
,
M.
Kuno
,
M.
Nirmal
,
D. J.
Norris
, and
M.
Bawendi
,
Phys. Rev. B
54
(
7
),
4843
4856
(
1996
).
16.
G. D.
Scholes
and
G.
Rumbles
,
Nat. Mater.
5
(
9
),
683
696
(
2006
).
17.
G. B.
Piland
,
Z.
Huang
,
M. L.
Tang
, and
C. J.
Bardeen
,
J. Phys. Chem. C
120
(
11
),
5883
5889
(
2016
).
18.
C.
Mongin
,
S.
Garakyaraghi
,
N.
Razgoniaeva
,
M.
Zamkov
, and
F. N.
Castellano
,
Science
351
(
6271
),
369
372
(
2016
).
19.
Z.
Xu
,
T.
Jin
,
Y.
Huang
,
K.
Mulla
,
F. A.
Evangelista
,
E.
Egap
, and
T.
Lian
,
Chem. Sci.
10
(
24
),
6120
6124
(
2019
).
20.
M.
Mahboub
,
H.
Maghsoudiganjeh
,
A. M.
Pham
,
Z.
Huang
, and
M. L.
Tang
,
Adv. Funct. Mater.
26
(
33
),
6091
6097
(
2016
).
21.
Z.
Huang
,
Z.
Xu
,
M.
Mahboub
,
X.
Li
,
J. W.
Taylor
,
W. H.
Harman
,
T.
Lian
, and
M. L.
Tang
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
56
(
52
),
16583
16587
(
2017
).
22.
D. M.
Kroupa
,
D. H.
Arias
,
J. L.
Blackburn
,
G. M.
Carroll
,
D. B.
Granger
,
J. E.
Anthony
,
M. C.
Beard
, and
J. C.
Johnson
,
Nano Lett.
18
(
2
),
865
873
(
2018
).
23.
M.
Wu
,
D. N.
Congreve
,
M. W. B.
Wilson
,
J.
Jean
,
N.
Geva
,
M.
Welborn
,
T.
Van Voorhis
,
V.
Bulović
,
M. G.
Bawendi
, and
M. A.
Baldo
,
Nat. Photonics
10
,
31
(
2015
).
24.
Z.
Huang
,
Z.
Xu
,
M.
Mahboub
,
Z.
Liang
,
P.
Jaimes
,
P.
Xia
,
K. R.
Graham
,
M. L.
Tang
, and
T.
Lian
,
J. Am. Chem. Soc.
141
(
25
),
9769
9772
(
2019
).
25.
N.
Nishimura
,
J. R.
Allardice
,
J.
Xiao
,
Q.
Gu
,
V.
Gray
, and
A.
Rao
,
Chem. Sci.
10
(
18
),
4750
4760
(
2019
).
26.
K.
Mase
,
K.
Okumura
,
N.
Yanai
, and
N.
Kimizuka
,
Chem. Commun.
53
(
59
),
8261
8264
(
2017
).
27.
K.
Okumura
,
N.
Yanai
, and
N.
Kimizuka
,
Chem. Lett.
48
(
11
),
1347
1350
(
2019
).
28.
Y.
Han
,
X.
Luo
,
R.
Lai
,
Y.
Li
,
G.
Liang
, and
K.
Wu
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
(
7
),
1457
1463
(
2019
).
29.
X.
Li
,
Z.
Huang
,
R.
Zavala
, and
M. L.
Tang
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
(
11
),
1955
1959
(
2016
).
30.
X.
Luo
,
R.
Lai
,
Y.
Li
,
Y.
Han
,
G.
Liang
,
X.
Liu
,
T.
Ding
,
J.
Wang
, and
K.
Wu
,
J. Am. Chem. Soc.
141
(
10
),
4186
4190
(
2019
).
31.
L.
Nienhaus
,
M.
Wu
,
N.
Geva
,
J. J.
Shepherd
,
M. W. B.
Wilson
,
V.
Bulović
,
T.
Van Voorhis
,
M. A.
Baldo
, and
M. G.
Bawendi
,
ACS Nano
11
(
8
),
7848
7857
(
2017
).
32.
X.
Luo
,
Y.
Han
,
Z.
Chen
,
Y.
Li
,
G.
Liang
,
X.
Liu
,
T.
Ding
,
C.
Nie
,
M.
Wang
,
F. N.
Castellano
, and
K.
Wu
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
28
(
2020
).
33.
S.
Garakyaraghi
,
C.
Mongin
,
D. B.
Granger
,
J. E.
Anthony
, and
F. N.
Castellano
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
(
7
),
1458
1463
(
2017
).
34.
T.
Jin
,
N.
Uhlikova
,
Z.
Xu
,
Y.
Zhu
,
Y.
Huang
,
E.
Egap
, and
T.
Lian
,
J. Chem. Phys.
152
(
21
),
214702
(
2020
).
35.
P.
Xia
,
E. K.
Raulerson
,
D.
Coleman
,
C. S.
Gerke
,
L.
Mangolini
,
M. L.
Tang
, and
S. T.
Roberts
,
Nat. Chem.
12
,
137
144
(
2019
).
36.
M.
Califano
,
A.
Franceschetti
, and
A.
Zunger
,
Nano Lett.
5
(
12
),
2360
2364
(
2005
).
37.
M.
Jones
,
S. S.
Lo
, and
G. D.
Scholes
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
(
9
),
3011
3016
(
2009
).
38.
Y.
Han
,
S.
He
,
X.
Luo
,
Y.
Li
,
Z.
Chen
,
W.
Kang
,
X.
Wang
, and
K.
Wu
,
J. Am. Chem. Soc.
141
(
33
),
13033
13037
(
2019
).
39.
E. M.
Rigsby
,
K.
Lee
,
J.
Sun
,
D. A.
Fishman
, and
M. L.
Tang
,
J. Chem. Phys.
151
(
17
),
174701
(
2019
).
40.
M.
Mahboub
,
P.
Xia
,
J.
Van Baren
,
X.
Li
,
C. H.
Lui
, and
M. L.
Tang
,
ACS Energy Lett.
3
(
4
),
767
772
(
2018
).
41.
V.
Gray
,
P.
Xia
,
Z.
Huang
,
E.
Moses
,
A.
Fast
,
D. A.
Fishman
,
V. I.
Vullev
,
M.
Abrahamsson
,
K.
Moth-Poulsen
, and
M.
Lee Tang
,
Chem. Sci.
8
(
8
),
5488
5496
(
2017
).
42.
M.
Mahboub
,
Z.
Huang
, and
M. L.
Tang
,
Nano Lett.
16
(
11
),
7169
7175
(
2016
).
43.
J. A.
Bender
,
E. K.
Raulerson
,
X.
Li
,
T.
Goldzak
,
P.
Xia
,
T.
Van Voorhis
,
M. L.
Tang
, and
S. T.
Roberts
,
J. Am. Chem. Soc.
140
(
24
),
7543
7553
(
2018
).
44.
J.
Mooney
,
M. M.
Krause
,
J. I.
Saari
, and
P.
Kambhampati
,
Phys. Rev. B
87
(
8
),
081201
(
2013
).
45.
M.
Jones
,
S. S.
Lo
, and
G. D.
Scholes
,
J. Phys. Chem. C
113
(
43
),
18632
18642
(
2009
).
46.
A.
Hässelbarth
,
A.
Eychmüller
, and
H.
Weller
,
Chem. Phys. Lett.
203
(
2
),
271
276
(
1993
).
47.
D.
Barraza-Jimenez
,
A.
Flores-Hidalgo
, and
D.
Glossman-Mitnik
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
894
(
1
),
64
70
(
2009
).
48.
H.
Zhu
and
T.
Lian
,
Energy Environ. Sci.
5
(
11
),
9406
9418
(
2012
).
49.
O.
Chen
,
J.
Zhao
,
V. P.
Chauhan
,
J.
Cui
,
C.
Wong
,
D. K.
Harris
,
H.
Wei
,
H.-S.
Han
,
D.
Fukumura
,
R. K.
Jain
, and
M. G.
Bawendi
,
Nat. Mater.
12
,
445
(
2013
).
50.
A. I.
Ekimov
,
I. A.
Kudryavtsev
,
A. L.
Efros
,
T. V.
Yazeva
,
F.
Hache
,
M. C.
Schanne-Klein
,
A. V.
Rodina
,
D.
Ricard
, and
C.
Flytzanis
,
J. Opt. Soc. Am. B
10
(
1
),
100
107
(
1993
).
51.
M.
Jones
,
J.
Nedeljkovic
,
R. J.
Ellingson
,
A. J.
Nozik
, and
G.
Rumbles
,
J. Phys. Chem. B
107
(
41
),
11346
11352
(
2003
).
52.
J.
Huang
,
Z.
Huang
,
S.
Jin
, and
T.
Lian
,
J. Phys. Chem. C
112
(
49
),
19734
19738
(
2008
).
53.
J.
Huang
,
Z.
Huang
,
Y.
Yang
,
H.
Zhu
, and
T.
Lian
,
J. Am. Chem. Soc.
132
(
13
),
4858
4864
(
2010
).
54.
K. J.
Schnitzenbaumer
,
T.
Labrador
, and
G.
Dukovic
,
J. Phys. Chem. C
119
(
23
),
13314
13324
(
2015
).
55.
C.
Giansante
and
I.
Infante
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
(
20
),
5209
5215
(
2017
).
56.
F. M.
Gómez-Campos
and
M.
Califano
,
Nano Lett.
12
(
9
),
4508
4517
(
2012
).
57.
Y.
Ebenstein
,
T.
Mokari
, and
U.
Banin
,
Appl. Phys. Lett.
80
(
21
),
4033
4035
(
2002
).
58.
G.
Zatryb
,
A.
Podhorodecki
,
J.
Misiewicz
,
J.
Cardin
, and
F.
Gourbilleau
,
Nanoscale Res. Lett.
6
(
1
),
106
(
2011
).
59.
J. E.
Subotnik
,
J.
Vura-Weis
,
A. J.
Sodt
, and
M. A.
Ratner
,
J. Phys. Chem. A
114
(
33
),
8665
8675
(
2010
).
60.
C.
Serpa
,
L. G.
Arnaut
,
S. J.
Formosinho
, and
K. R.
Naqvi
,
Photochem. Photobiol. Sci.
2
(
5
),
616
623
(
2003
).
61.
D. L.
Dexter
, “
A theory of sensitized luminescence in solid
,”
J. Chem. Phys.
21
,
836
(
1953
).
62.
Z.
Huang
,
X.
Li
,
B. D.
Yip
,
J. M.
Rubalcava
,
C. J.
Bardeen
, and
M. L.
Tang
,
Chem. Mater.
27
(
21
),
7503
7507
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.