Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cấu hình dimer nhạy cảm với trạng thái kích thích điện tử của các đồng vị tetracene và hành vi không phát quang mà không điển hình của chúng
Tóm tắt
Các J-aggregates không điển hình và không phát quang của Tetracene (TC) và Naphtho[2,1,8-qra]tetracene (NT) đã được quan sát và hiện tượng suy giảm mạnh mẽ của chúng đã được làm sáng tỏ thông qua quang phổ trạng thái ổn định, quang phổ thời gian phân giải và quang phổ tạm thời kết hợp với các tính toán mật độ chức năng trong trạng thái khích lệ. Các O-aggregate của TC với góc trượt
$$\uptheta = 22.3^{\circ }< 54.7^{\circ }$$
đã thể hiện một mô men điện dipole chuyển tiếp (TDM) đáng kể cho cả sự kích thích đơn (2.79 D) và đôi (1.59 D) năng lượng thấp, trong khi NT tạo thành một J-aggregate lý tưởng (góc phân cực,
$$\upalpha \sim 0^{\circ }$$
) với một TDM nổi bật chỉ cho một trạng thái kích thích đơn thấp (2.69 D). Tiếp theo, hiện tượng suy giảm không bình thường của chúng đã được định lượng bằng các dấu hiệu giảm lớn trong năng suất phát quang lượng tử (PLQY) từ 0.116 xuống 0.002 khi TC O-aggregation và từ 0.478 xuống 0.038 khi NT J-aggregation. Những giảm sút PL mạnh mẽ này đã được nghiên cứu hệ thống để tìm hiểu về khả năng xảy ra sự suy giảm phát quang giống như excimer và/hoặc sự phân hủy quang của đơn vị lõi TC. Đối với các TC O-aggregates thể hiện sự cân bằng năng lượng hoàn hảo giữa năng lượng đơn (2.34 eV) và năng lượng ba (1.28 eV) cho quá trình phân hạch đơn (SF) và tín hiệu phát quang trễ đi kèm, các đặc trưng phân rã của
$$\hbox {S}_{{1}}$$
đã được quy cho SF sau đó là sự tái tổ hợp trái ngược ba-ba. Ngược lại, sự mất cân bằng năng lượng (
$$\hbox {E}(\hbox {S}_{1}) < \hbox {2xE}(\hbox {T}_{1})$$
) trong các NT J-aggregates chỉ cho phép quá trình SF tiến triển và việc hình thành triplet lâu dài kết quả được theo dõi với sự hấp thu tạm thời tích cực (
$$\hbox {T}_{1} \rightarrow \hbox {T}_{\mathrm{n}})$$
ở băng tần 500 nm. Do đó, động lực trạng thái kích thích đơn
$$(\hbox {S}_{1})$$
của TC O- và NT J-aggregates, chủ yếu do SF chi phối, thể hiện một quần thể
$$\hbox {S}_{{1}}$$
bị cạn kiệt, giải thích cho sự sai khác lớn so với hiện tượng phát quang tăng cường do kết tụ gây ra, được thể hiện bởi các J-aggregates phẩm màu cổ điển. Các O- và J-aggregates không điển hình của Tetracene và Naphtho[2,1,8-qra]tetracene cho thấy hành vi không phát quang mà trạng thái kích thích đơn (S
$$_{1})$$
chủ yếu được điều khiển bởi sự phân hạch đơn diễn ra nhanh, giải thích cho sự sai lệch không điển hình khỏi hiện tượng phát quang tăng cường do kết tụ đã được thiết lập từ các J-aggregates cổ điển.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Scholes G D and Rumbles G 2006 Excitons in nanoscale systems Nat. Mater. 5 683
Würthner F, Kaiser T E and Saha-Möller C R 2011 J-aggregates: From serendipitous discovery to supramolecular engineering of functional dye materials Angew. Chem. Int. Ed. 50 3376
Kasha M, Rawls H and El-Bayoumi M A 1965 The exciton model in molecular spectroscopy Pure Appl. Chem. 11 371
Kasha M, Rawls H and El-Bayoumi M A 1965 The exciton model in molecular spectroscopy Pure Appl. Chem. 11 371
An B-K, Kwon S-K, Jung S-D and Park S Y 2002 Enhanced emission and its switching in fluorescent organic nanoparticles J. Am. Chem. Soc. 124 14410
Kar H and Ghosh S 2016 J-aggregation of a sulfur-substituted naphthalenediimide (NDI) with remarkably bright fluorescence Chem. Commun. 52 8818
Basak S, Nandi N, Bhattacharyya K, Datta A and Banerjee A 2015 Fluorescence from an H-aggregated naphthalenediimide based peptide: Photophysical and computational investigation of this rare phenomenon Phys. Chem. Chem. Phys. 17 30398
Rösch U, Yao S, Wortmann R and Würthner F 2006 Fluorescent H-aggregates of merocyanine dyes Angew. Chem. Int. Ed. 45 7026
Bayda M, Dumoulin F, Hug G L, Koput J, Gorniak R and Wojcik A 2017 Fluorescent H-aggregates of an asymmetrically substituted mono-amino Zn(II) phthalocyanine Dalton Trans. 46 1914
Miguel G de, Ziołek, M, Zitnan, M, Organero J A, Pandey S S, Hayase S and Douha A 2012 Photophysics of H- and J-aggregates of indole-based squaraines in solid state J. Phys. Chem. C 116 9379
Aggarwal N and Patnaik A 2017 Unusual non-emissive behavior of rubrene J-aggregates: A rare violation J. Phys. Chem. B 121 3190
Jelley E E 1936 Spectral absorption and fluorescence of dyes in the molecular state Nature 138 1009
Lee J, Jadhav P, Reusswig P D, Yost S R, Thompson N J, Congreve D N, Hontz E, Van Voorhis T and Baldo M A 2013 Singlet exciton fission photovoltaics Acc. Chem. Res. 46 1300
Jadhav P J, Mohanty A, Sussman J, Lee J and Baldo M A 2011 Singlet exciton fission in nanostructured organic solar cells Nano Lett. 11 1495
Ehrler B, Wilson M W B, Rao A, Friend R H and Greenham N C 2012 Singlet exciton fission-sensitized infrared quantum dot solar cells Nano Lett. 12 1053
Rao A, Wilson M W B, Hodgkiss J M, Albert-Seifried S, Bässler H and Friend R H 2010 Exciton fission and charge generation via triplet excitons in pentacene/C60 bilayers J. Am. Chem. Soc. 132 12698
Congreve D N, Lee J, Thompson N J, Hontz E, Yost S R, Reusswig P D, Bahlke M E, Reineke S, Van Voorhis T and Baldo M A 2013 External quantum efficiency above 100% in a singlet-exciton-fission–based organic photovoltaic cell Science 340 334
Picciolo L C, Murata H and Kafafi Z H 2001 Organic light-emitting devices with saturated red emission using 6,13-diphenylpentacene Appl. Phys. Lett. 78 2378
Wolak M A, Jang B-B, Palilis L C and Kafafi Z H 2004 Functionalized pentacene derivatives for use as red emitters in organic light-emitting diodes J. Phys. Chem. B 108 5492
Xu Q, Duong H M, Wudl F and Yang Y 2004 Efficient single-layer “twistacene”-doped polymer white light-emitting diodes Appl. Phys. Lett. 85 3357
Merlo J A, Newman C R, Gerlach C P, Kelley T W, Muyres D V, Fritz S E, Toney M F and Frisbie C D 2005 p-Channel organic semiconductors based on hybrid acene-thiophene molecules for thin-film transistor applications J. Am. Chem. Soc. 127 3997
Tang M L, Reichardt A D, Miyaki N, Stoltenberg R M and Bao Z 2008 Ambipolar, high performance, acene-based organic thin film transistors J. Am. Chem. Soc. 130 6064
Smith M B and Michl J 2013 Recent advances in singlet fission Annu. Rev. Phys. Chem. 64 361
Ma L, Zhang K, Kloc C, Sun H, Michel-Beyerle M E and Gurzadyan G G 2012 Singlet fission in rubrene single crystal: direct observation by femtosecond pump–probe spectroscopy Phys. Chem. Chem. Phys. 14 8307
Singh S, Jones W J, Siebrand W, Stoicheff B P and Schneider W G 1965 Laser generation of excitions and fluorescence in anthracene crystals J. Chem. Phys. 42 330
Chan W-L, Ligges M and Zhu X Y 2012 The energy barrier in singlet fission can be overcome through coherent coupling and entropic gain Nat. Chem. 4 840
Wilson M W B, Rao A, Johnson K, Gélinas S, di Pietro R, Clark J and Friend R H 2013 Temperature-independent singlet exciton fission in tetracene J. Am. Chem. Soc. 135 16680
Birech Z, Schwoerer M, Schmeiler T, Pflaum J and Schwoerer H 2014 Ultrafast dynamics of excitons in tetracene single crystals J. Chem. Phys. 140 114501
Arnold S and Whitten W B 1981 Temperature dependence of the triplet exciton yield in fission and fusion in tetracene J. Chem. Phys. 75 1166
Burdett J J and Bardeen C J 2013 The dynamics of singlet fission in crystalline tetracene and covalent analogs Acc. Chem. Res. 46 1312
Grumstrup E M, Johnson J C and Damrauer N H 2010 Enhanced triplet formation in polycrystalline tetracene films by femtosecond optical-pulse shaping Phys. Rev. Lett. 105 257403
Tayebjee M J Y, Clady R G C R and Schmidt T W 2013 The exciton dynamics in tetracene thin films Phys. Chem. Chem. Phys. 15 14797
Swenberg C E and Stacy W T 1968 Bimolecular radiationless transitions in crystalline tetracene Chem. Phys. Lett. 2 327
Peter G and Bässler H 1980 Fluorescence and energy transfer in disordered solid tetracene Chem. Phys. 49 9
Reichwagen J, Hopf H, Del Guerzo A, Desvergne J-P and Bouas-Laurent H 2004 Photodimers of a soluble tetracene derivative. Excimer fluorescence from the head-to-head isomer Org. Lett. 6 1899
Iannone M A and Scott G W 1990 Low temperature emission spectra of trapped tetracene pairs from ditetracene Chem. Phys. Lett. 171 569
Liu H, Nichols V M, Shen L, Jahansouz S, Chen Y, Hanson K M, Bardeen C J and Li X 2015 Synthesis and photophysical properties of a “face-to-face” stacked tetracene dimer Phys. Chem. Chem. Phys. 17 6523
Lim S-H, Bjorklund T G, Spano F C and Bardeen C J 2004 Exciton delocalization and superradiance in tetracene thin films and nanoaggregates Phys. Rev. Lett. 92 107402
Robertson J M, Sinclair V C and Trotter J 1961 The crystal and molecular structure of tetracene Acta Cryst. 14 697
Beljonne D, Yamagata H, Brédas J L, Spano F C and Olivier Y 2013 Charge-transfer excitations steer the Davydov splitting and mediate singlet exciton fission in pentacene Phys. Rev. Lett. 110 226402
Greyson E C, Vura-Weis J, Michl J and Ratner M A 2010 Maximizing singlet fission in organic dimers: Theoretical investigation of triplet yield in the regime of localized excitation and fast coherent electron transfer J. Phys. Chem. B 114 14168
Greyson E C, Stepp B R, Chen X, Schwerin A F, Paci I, Smith M B, Akdag A, Johnson J C, Nozik A J, Michl J and Ratner M A 2010 Singlet Exciton Fission for Solar Cell Applications: Energy Aspects of Interchromophore Coupling J. Phys. Chem. B 114 14223
Hestand N J and Spano F C 2017 Molecular aggregate photophysics beyond the Kasha model: Novel design principles for organic materials Acc. Chem. Res. 50 341
Murov S L, Carmichael I and Hug G L 1993 In Handbook of Photochemistry (New York: Marcel Dekker)
Aggarwal N and Patnaik A 2015 A new class of nitroanilinic dimer, the PNA O-dimer: Electronic structure and emission characteristics of O-dimeric aggregates J. Phys. Chem. A 119 8388
Yamagata H, Norton J, Hontz E, Olivier Y, Beljonne D, Brédas J L, Silbey R J and Spano F C 2011 The nature of singlet excitons in oligoacene molecular crystals J. Chem. Phys. 134 204703
Basu S 1964 In Advances in Quantum Chemistry Vol. 1 Per-Olov Löwdin (Ed.) (New York and London: Academic Press) p. 145
Groff R P, Avakian P and Merrifield R E 1970 Coexistence of exciton fission and fusion in tetracene crystals Phys. Rev. B 1 815
Johnson R C and Merrifield R E 1970 Effects of magnetic fields on the mutual annihilation of triplet excitons in anthracene crystals Phys. Rev. B 1 896
Kepler R G, Caris J C, Avakian P and Abramson E 1963 Triplet excitons and delayed fluorescence in anthracene crystals Phys. Rev. Lett. 10 400
Ern V, Avakian P and Merrifield R E 1966 Diffusion of triplet excitons in anthracene crystals Phys. Rev. 148 862
Hall J L, Jennings D A and McClintock R M 1963 Study of anthracene fluorescence excited by the ruby giant-pulse laser Phys. Rev. Lett. 11 364
Hilborn R C 1982 Einstein coefficients, cross sections, f values, dipole moments, and all that Am. J. Phys. 50 982
Langhals H, Karolin J and Johansson L B-Å 1998 Spectroscopic properties of new and convenient standards for measuring fluorescence quantum yields J. Chem. Soc. Faraday Trans. 94 2919
Frisch M J, Trucks G W, Schlegel H B, Scuseria G E, Robb M A, Cheeseman J R, Scalmani G, Barone V, Mennucci B, Petersson G A, Nakatsuji H, Caricato M, Li X, Hratchian H P, Izmaylov A F, Bloino J, Zheng G, Sonnenberg J L, Hada M, Ehara M, Toyota K, Fukuda R, Hasegawa J, Ishida M, Nakajima T, Honda Y, Kitao O, Nakai H, Vreven T, Montgomery Jr. J A, Peralta J E, Ogliaro F, Bearpark M J, Heyd J, Brothers E N, Kudin K N, Staroverov V N, Kobayashi R, Normand J, Raghavachari K, Rendell A P, Burant J C, Iyengar S S, Tomasi J, Cossi M, Rega N, Millam N J, Klene M, Knox J E, Cross J B, Bakken V, Adamo C, Jaramillo J, Gomperts R, Stratmann R E, Yazyev O, Austin A J, Cammi R, Pomelli C, Ochterski J W, Martin R L, Morokuma K, Zakrzewski V G, Voth G A, Salvador P, Dannenberg J J, Dapprich S, Daniels A D, Farkas Ö, Foresman J B, Ortiz J V, Cioslowski J and Fox D J Gaussian, Inc.: Wallingford CT USA 2009
Zhao Y and Truhlar D G 2007 The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functionals Theor. Chem. Acc. 120 215
Sutton C, Sears J S, Coropceanu V and Brédas J-L 2013 Understanding the density functional dependence of DFT-calculated electronic couplings in organic semiconductors J. Phys. Chem. Lett. 4 919
Li R, Zheng J and Truhlar D G 2010 Density functional approximations for charge transfer excitations with intermediate spatial overlap Phys. Chem. Chem. Phys. 12 12697
Sinnokrot M O, Valeev E F and Sherrill C D 2002 Estimates of the ab initio limit for \(\uppi {-}\uppi \) interactions: The benzene dimer J. Am. Chem. Soc. 124 10887
Lu T and Chen F 2012 Multiwfn: A multifunctional wavefunction analyzer J. Comput. Chem. 33 580
Le Bahers T, Adamo C and Ciofini I 2011 A qualitative index of spatial extent in charge-transfer excitations J. Chem. Theory Comput. 7 2498
Ciofini I, Le Bahers T, Adamo C, Odobel F and Jacquemin D 2012 Through-space charge transfer in rod-like molecules: Lessons from theory J. Phys. Chem. C 116 11946
Pensack R D, Tilley A J, Parkin S R, Lee T S, Payne M M, Gao D, Jahnke A A, Oblinsky D G, Li P-F, Anthony J E, Seferos D S and Scholes G D 2015 Exciton delocalization drives rapid singlet fission in nanoparticles of acene derivatives J. Am. Chem. Soc. 137 6790
Johnson J C, Nozik A J and Michl J 2013 The role of chromophore coupling in singlet fission Acc. Chem. Res. 46 1290
Busby E, Berkelbach T C, Kumar B, Chernikov A, Zhong Y, Hlaing H, Zhu X Y, Heinz T F, Hybertsen M S, Sfeir M Y, Reichman D R, Nuckolls C and Yaffe O 2014 Multiphonon relaxation slows singlet fission in crystalline hexacene J. Am. Chem. Soc. 136 10654
Smith M B and Michl J 2010 Singlet fission Chem. Rev. 110 6891