Plasmon-induced charge transfer has been studied for the development of plasmonic photodiodes and solar cells. There are two mechanisms by which a plasmonic nanoparticle can transfer charge to an adjacent material: indirect transfer following plasmon decay and direct transfer as a way of plasmon decay. Using single-particle dark-field scattering and photoluminescence imaging and spectroscopy of gold nanorods on various substrates, we identify linewidth broadening and photoluminescence quantum yield quenching as key spectroscopic signatures that are quantitatively related to plasmon-induced interfacial charge transfer. We find that dark-field scattering linewidth broadening is due to chemical interface damping through direct charge injection via plasmon decay. The photoluminescence quantum yield quenching reveals additional mechanistic insight into electron–hole recombination as well as plasmon generation and decay within the gold nanorods. Through these two spectroscopic signatures, we identify charge transfer mechanisms at TiO2 and indium doped tin oxide interfaces and uncover material parameters contributing to plasmon-induced charge transfer efficiency, such as barrier height and resonance energy.

1.
T.
Ishida
and
T.
Tatsuma
,
J. Phys. Chem. C
124
,
23454
(
2020
).
2.
J.
Ma
and
S.
Gao
,
ACS Nano
13
,
13658
(
2019
).
3.
A.
Fu
,
X.
Chen
,
L.
Tong
,
D.
Wang
,
L.
Liu
, and
J.
Ye
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
24154
(
2019
).
4.
J. B.
Khurgin
,
Nanophotonics
9
,
453
(
2020
).
5.
F. A.
Shuklin
,
I. V.
Smetanin
,
I. E.
Protsenko
,
J. B.
Khurgin
,
N. V.
Nikonorov
, and
A. V.
Uskov
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
181104
(
2021
).
6.
L.
Zhou
,
M.
Lou
,
J. L.
Bao
,
C.
Zhang
,
J. G.
Liu
,
J. M. P.
Martirez
,
S.
Tian
,
L.
Yuan
,
D. F.
Swearer
,
H.
Robatjazi
,
E. A.
Carter
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
118
,
e2022109118
(
2021
).
7.
M. L.
Brongersma
,
N. J.
Halas
, and
P.
Nordlander
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
25
(
2015
).
8.
T.
Ishida
,
S.
Toe
, and
T.
Tatsuma
,
J. Phys. Chem. C
123
,
30562
(
2019
).
9.
J. B.
Khurgin
and
U.
Levy
,
ACS Photonics
7
,
547
(
2020
).
10.
K.
Wu
,
J.
Chen
,
J. R.
McBride
, and
T.
Lian
,
Science
349
,
632
(
2015
).
11.
J. B.
Khurgin
,
A.
Petrov
,
M.
Eich
, and
A. V.
Uskov
,
ACS Photonics
8
,
2041
(
2021
).
12.
S. A.
Lee
and
S.
Link
,
Acc. Chem. Res.
54
,
1950
(
2021
).
13.
Z.
Lu
,
X.
Wu
,
N.
Chen
,
M.
Cao
,
M. M.
Sartin
, and
B.
Ren
,
ACS Energy Lett.
6
,
3473
(
2021
).
14.
J.
Liu
,
Z.-Y.
Cai
,
W.-X.
Sun
,
J.-Z.
Wang
,
X.-R.
Shen
,
C.
Zhan
,
R.
Devasenathipathy
,
J.-Z.
Zhou
,
D.-Y.
Wu
,
B.-W.
Mao
, and
Z.-Q.
Tian
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
17489
(
2020
).
15.
X.
Wu
,
E. S.
Thrall
,
H.
Liu
,
M.
Steigerwald
, and
L.
Brus
,
J. Phys. Chem. C
114
,
12896
(
2010
).
16.
L.
Zhou
,
D. F.
Swearer
,
C.
Zhang
,
H.
Robatjazi
,
H.
Zhao
,
L.
Henderson
,
L.
Dong
,
P.
Christopher
,
E. A.
Carter
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
Science
362
,
69
(
2018
).
17.
H.
Zhu
,
H.
Xie
,
Y.
Yang
,
K.
Wang
,
F.
Zhao
,
W.
Ye
, and
W.
Ni
,
Nano Lett.
20
,
2423
(
2020
).
18.
E.
Segal
,
M.
Galanty
,
H.
Aharon
, and
A.
Salomon
,
J. Phys. Chem. C
123
,
30528
(
2019
).
19.
X.
Ye
,
L.
Jin
,
H.
Caglayan
,
J.
Chen
,
G.
Xing
,
C.
Zheng
,
V.
Doan-Nguyen
,
Y.
Kang
,
N.
Engheta
,
C. R.
Kagan
, and
C. B.
Murray
,
ACS Nano
6
,
2804
(
2012
).
20.
X.
Ye
,
Y.
Gao
,
J.
Chen
,
D. C.
Reifsnyder
,
C.
Zheng
, and
C. B.
Murray
,
Nano Lett.
13
,
2163
(
2013
).
21.
B.
Ostovar
,
Y.-Y.
Cai
,
L. J.
Tauzin
,
S. A.
Lee
,
A.
Ahmadivand
,
R.
Zhang
,
P.
Nordlander
, and
S.
Link
,
ACS Nano
14
,
15757
(
2020
).
22.
C.
Flatebo
,
S. S. E.
Collins
,
B. S.
Hoener
,
Y.-y.
Cai
,
S.
Link
, and
C. F.
Landes
,
J. Phys. Chem. C
123
,
13983
(
2019
).
23.
S. R.
Kirchner
,
K. W.
Smith
,
B. S.
Hoener
,
S. S. E.
Collins
,
W.
Wang
,
Y.-Y.
Cai
,
C.
Kinnear
,
H.
Zhang
,
W.-S.
Chang
,
P.
Mulvaney
,
C. F.
Landes
, and
S.
Link
,
J. Phys. Chem. C
122
,
6865
(
2018
).
24.
S.
Gómez-Graña
,
F.
Hubert
,
F.
Testard
,
A.
Guerrero-Martínez
,
I.
Grillo
,
L. M.
Liz-Marzán
, and
O.
Spalla
,
Langmuir
28
,
1453
(
2012
).
25.
J.-N.
Chazalviel
and
P.
Allongue
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
762
(
2011
).
26.
Y.-Y.
Cai
,
J. G.
Liu
,
L. J.
Tauzin
,
D.
Huang
,
E.
Sung
,
H.
Zhang
,
A.
Joplin
,
W.-S.
Chang
,
P.
Nordlander
, and
S.
Link
,
ACS Nano
12
,
976
(
2018
).
27.
D.
Huang
,
C. P.
Byers
,
L.-Y.
Wang
,
A.
Hoggard
,
B.
Hoener
,
S.
Dominguez-Medina
,
S.
Chen
,
W.-S.
Chang
,
C. F.
Landes
, and
S.
Link
,
ACS Nano
9
,
7072
(
2015
).
28.
A. F.
Koenderink
,
Opt. Lett.
35
,
4208
(
2010
).
29.
C.
Sauvan
,
J. P.
Hugonin
,
I. S.
Maksymov
, and
P.
Lalanne
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
237401
(
2013
).
30.
R. L.
Olmon
,
B.
Slovick
,
T. W.
Johnson
,
D.
Shelton
,
S.-H.
Oh
,
G. D.
Boreman
, and
M. B.
Raschke
,
Phys. Rev. B
86
,
235147
(
2012
).
31.
P. B.
Johnson
and
R. W.
Christy
,
Phys. Rev. B
6
,
4370
(
1972
).
32.
R. J.
Moerland
and
J. P.
Hoogenboom
,
Optica
3
,
112
(
2016
).
33.
T.
Siefke
,
S.
Kroker
,
K.
Pfeiffer
,
O.
Puffky
,
K.
Dietrich
,
D.
Franta
,
I.
Ohlídal
,
A.
Szeghalmi
,
E. B.
Kley
, and
A.
Tünnermann
,
Adv. Opt. Mater.
4
,
1780
(
2016
).
34.
M.
Yorulmaz
,
S.
Khatua
,
P.
Zijlstra
,
A.
Gaiduk
, and
M.
Orrit
,
Nano Lett.
12
,
4385
(
2012
).
35.
Y.
Fang
,
W.-S.
Chang
,
B.
Willingham
,
P.
Swanglap
,
S.
Dominguez-Medina
, and
S.
Link
,
ACS Nano
6
,
7177
(
2012
).
36.
B.
Foerster
,
J.
Rutten
,
H.
Pham
,
S.
Link
, and
C.
Sönnichsen
,
J. Phys. Chem. C
122
,
19116
(
2018
).
37.
H.
Hövel
,
S.
Fritz
,
A.
Hilger
,
U.
Kreibig
, and
M.
Vollmer
,
Phys. Rev. B
48
,
18178
(
1993
).
38.
A.
Mooradian
,
Phys. Rev. Lett.
22
,
185
(
1969
).
39.
G. T.
Boyd
,
Z. H.
Yu
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. B
33
,
7923
(
1986
).
40.
E.
Dulkeith
,
T.
Niedereichholz
,
T. A.
Klar
,
J.
Feldmann
,
G.
von Plessen
,
D. I.
Gittins
,
K. S.
Mayya
, and
F.
Caruso
,
Phys. Rev. B
70
,
205424
(
2004
).
41.
F.
Wackenhut
,
A. V.
Failla
, and
A. J.
Meixner
,
J. Phys. Chem. C
117
,
17870
(
2013
).
42.
G.
Colas des Francs
,
S.
Derom
,
R.
Vincent
,
A.
Bouhelier
, and
A.
Dereux
,
Int. J. Opt.
2012
,
175162
.
43.
L.
Novotny
and
B.
Hecht
,
Principles of Nano-Optics
, 2nd ed. (
Cambridge University Press
,
Cambridge, UK
,
2012
).
44.
T.
Zhao
,
M. A.
Steves
,
B. S.
Chapman
,
J. B.
Tracy
, and
K. L.
Knappenberger
,
Anal. Chem.
90
,
13702
(
2018
).
45.
Y.-Y.
Cai
,
L. J.
Tauzin
,
B.
Ostovar
,
S.
Lee
, and
S.
Link
,
J. Chem. Phys.
155
,
060901
(
2021
).
46.
J.
Wang
,
E.
Gürdal
,
A.
Horneber
,
S.
Dickreuter
,
S.
Kostcheev
,
A. J.
Meixner
,
M.
Fleischer
,
P.-M.
Adam
, and
D.
Zhang
,
Nanoscale
10
,
8240
(
2018
).
47.
U.
Kreibig
and
M.
Vollmer
,
Optical Properties of Metal Clusters
(
Springer
,
1995
).
48.
C.
Sönnichsen
,
T.
Franzl
,
T.
Wilk
,
G.
von Plessen
,
J.
Feldmann
,
O.
Wilson
, and
P.
Mulvaney
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
077402
(
2002
).
49.
C.
Novo
,
D.
Gomez
,
J.
Perez-Juste
,
Z.
Zhang
,
H.
Petrova
,
M.
Reismann
,
P.
Mulvaney
, and
G. V.
Hartland
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
3540
(
2006
).
50.
P.
Zijlstra
,
P. M. R.
Paulo
,
K.
Yu
,
Q.-H.
Xu
, and
M.
Orrit
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
8352
(
2012
).
51.
N.
Fujimura
,
A.
Ohta
,
K.
Makihara
, and
S.
Miyazaki
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
,
08PC06
(
2016
).
52.
Y.
Xu
and
M. A. A.
Schoonen
,
Am. Mineral.
85
,
543
(
2000
).
53.
P.
Nunez
,
M. H.
Richter
,
B. D.
Piercy
,
C. W.
Roske
,
M.
Cabán-Acevedo
,
M. D.
Losego
,
S. J.
Konezny
,
D. J.
Fermin
,
S.
Hu
,
B. S.
Brunschwig
, and
N. S.
Lewis
,
J. Phys. Chem. C
123
,
20116
(
2019
).
54.
T.
Ishida
,
H.
Kobayashi
, and
Y.
Nakato
,
J. Appl. Phys.
73
,
4344
(
1993
).
55.
H. B.
Michaelson
,
J. Appl. Phys.
48
,
4729
(
1977
).
56.
B.
Foerster
,
M.
Hartelt
,
S. S. E.
Collins
,
M.
Aeschlimann
,
S.
Link
, and
C.
Sönnichsen
,
Nano Lett.
20
,
3338
(
2020
).
57.
58.
L.
Du
,
X.
Shi
,
G.
Zhang
, and
A.
Furube
,
J. Appl. Phys.
128
,
213104
(
2020
).
59.
Y.
Yu
,
K. D.
Wijesekara
,
X.
Xi
, and
K. A.
Willets
,
ACS Nano
13
,
3629
(
2019
).
60.
E. A.
Coronado
and
G. C.
Schatz
,
J. Chem. Phys.
119
,
3926
(
2003
).
61.
B.
Foerster
,
A.
Joplin
,
K.
Kaefer
,
S.
Celiksoy
,
S.
Link
, and
C.
Sönnichsen
,
ACS Nano
11
,
2886
(
2017
).
62.
S. W.
Moon
,
P. V.
Tsalu
, and
J. W.
Ha
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
22197
(
2018
).
63.
B.
Foerster
,
V. A.
Spata
,
E. A.
Carter
,
C.
Sönnichsen
, and
S.
Link
,
Sci. Adv.
5
,
eaav0704
(
2019
).
64.
K. L.
Kelly
,
E.
Coronado
,
L. L.
Zhao
, and
G. C.
Schatz
,
J. Phys. Chem. B
107
,
668
(
2003
).
65.
A.
Schmidt-Ott
,
P.
Schurtenberger
, and
H. C.
Siegmann
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
1284
(
1980
).
66.
A. O.
Govorov
,
H.
Zhang
, and
Y. K.
Gun’ko
,
J. Phys. Chem. C
117
,
16616
(
2013
).
67.
T.
Tatsuma
,
H.
Nishi
, and
T.
Ishida
,
Chem. Sci.
8
,
3325
(
2017
).
68.
J.
Cao
,
Y.
Gao
,
H. E.
Elsayed-Ali
,
R. J. D.
Miller
, and
D. A.
Mantell
,
Phys. Rev. B
58
,
10948
(
1998
).
69.
Y.-N.
Hwang
,
D. H.
Jeong
,
H. J.
Shin
,
D.
Kim
,
S. C.
Jeoung
,
S. H.
Han
,
J.-S.
Lee
, and
G.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
106
,
7581
(
2002
).
70.
Z.
Yu
,
I. R.
Perera
,
T.
Daeneke
,
S.
Makuta
,
Y.
Tachibana
,
J. J.
Jasieniak
,
A.
Mishra
,
P.
Bäuerle
,
L.
Spiccia
, and
U.
Bach
,
NPG Asia Mater.
8
,
e305
(
2016
).
71.
G.
Chen
,
M.
Sun
,
J.
Li
,
M.
Zhu
,
Z.
Lou
, and
B.
Li
,
Nanoscale
11
,
18874
(
2019
).
72.
A. E.
Schlather
,
A.
Manjavacas
,
A.
Lauchner
,
V. S.
Marangoni
,
C. J.
DeSantis
,
P.
Nordlander
, and
N. J.
Halas
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
2060
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.