Energy Transfer in Organic-Inorganic Semiconductor Structures

In HIOS-Strukturen, die auf einem Quantengraben und einer angrenzenden organischen Deckschicht basieren, wurde eine effiziente Umwandlung von Wannier-Exzitonen in Frenkel-Exzitonen mittels resonantem Förster Energietransfer (FRET) demonstriert. Das hier verwendete Design besteht aus einem spiro-annulierten Quarter-phenyl (L4P-SP3), das auf einen ZnO-Quantengraben (SQW) aufgewachsen wurde, um inkohärente Kopplung zu erreichen. Mittels optischer Spektroskopie haben wir demonstriert, dass diese hybriden Strukturen Energietransfer vom SQW zu den organischen Molekülen mit einer Effizienz von bis zu 77% zeigen. Allerdings zeigen UPS-Messungen eine typ-II-artige Energieniveau-Anpassung zwischen ZnO und der molekularen Schicht, die zu einem sehr effizienten Ladungstrennungsvorgang (ηCT=0.9) führt, der die molekulare Emission unterdrückt. Die erste beruht auf einer schnellen und hocheffizienten Energietransfer-Kaskade: nach der ersten Transferstufe wird die Anregungsenergie von der hybriden Grenzfläche weggeleitet, indem eine zweite Energietransferstufe eingeführt wird, bevor die Dissoziation der Exzitonen an der Grenzfläche statt-finden kann. Wir verwenden Sexiphenyl, L6P als endgültigen Akzeptor. In solch einer Struktur können wir eine Wiederherstellung der molekularen Emission um einen Faktor acht demonstrieren und zeigen, dass der Energietransferprozess zwischen L4P-SP3 und L6P den Ladungstrennungsprozess fast vollständig überholt. Als andere Option haben wir die Energieniveaus angepasst, indem eine organometallische Donor-Monolage [RuCp*mes] ergänzt wird. Diese Zwischenschicht senkt die Austrittsarbeit von ZnO deutlich ab und führt so zu einer Anpassung der Niveaus zwischen die zwei Halbleiter. Während die Effizienz des Energietransfers unverändert bleibt, steigen die Emission von L4P-SP3 sowie die Lebenszeit der molekularen Photoluminescenz um einen Faktor sieben verglichen mit entsprechenden Strukturen ohne Zwischenlage.In HIOS structures based on a quantum well and an adjacent organic overlayer, efficient conversion of Wannier excitons into Frenkel excitons via Förster-type resonant energy transfer (FRET) has been demonstrated. The design here in use consists of a spiro-annulated ladder-type quarter-phenyl (L4P-SP3), deposited on ZnO-based single quantum wells (SQW) to obtain incoherent electronic coupling. The SQWs we use are grown with extremely thin (2 nm) capping layer. With photoluminescence excitation and time-resolved spectroscopy, we demonstrate that these hybrid structures exhibit energy transfer from the inorganic material to the organic molecules with an efficiency up to 77%. However, UPS measurements show a type-II energy level alignment between ZnO and the molecular layer, resulting in a very efficient charge separation process (ηCT=0.9) that suppresses the molecular emission. The first idea relies on a fast and highly efficient cascade FRET: following the primary transfer step from the QW, the excitation is conveyed away from the hybrid interface by a secondary transfer-step within the organic layer. As final acceptor we select ladder-type sexiphenyl (L6P). In such a structure, we demonstrate a recovery of the molecular emission by a factor eight, showing that the intermolecular FRET outpaced almost entirely the charge separation process. As alternative option, we tune the energy levels at the interface by introducing an organometallic donor monolayer [RuCp*mes]. The interlayer reduces substantially the ZnO work function, aligning the frontier levels of the inorganic and organic semiconductor. Optical experiments show the benefits of the interlayer: while the FRET efficiency is unaffected, the L4P-SP3 emission and its photoluminescence lifetime increase by a factor of seven, when compared to the same structure without interlayer