Single-Carbon Bridged Pentacene Dimers Enable Efficient Singlet Fission and Quintet State Stabilization

并五苯 化学 单重态裂变 离域电子 单重态 化学物理 发色团 自旋态 分子内力 分子物理学 自旋(空气动力学) 亚辛 放松(心理学) 密度泛函理论 三重态 离解(化学) 橡胶 消灭 分子轨道 量子 激发 有机半导体 激子 基态 结合能 有机电子学 裂变 电子 富勒烯 叠加原理 圆锥交点 原子物理学 自由度(物理和化学) 计算化学 四烯
作者
Chao‐Hsien Hsu,Yi-Ching Liao,Chu-Chun Cheng,Bo-Han Wu,Chou‐Hsun Yang,Chao‐Ping Hsu,Bo-han Chen,Shang‐Da Yang,Yuling Hsu,Li‐Kang Chu,Yun‐Wei Chiang,Ken‐Tsung Wong,Pi‐Tai Chou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (4): 4062-4073 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14851
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Singlet fission (SF) offers a promising avenue for quantum information science, as it generates spin-entangled triplet pairs with quintet character ( 5 TT) upon photoexcitation, enabling access to multilevel spin qubit states beyond the traditional two-level systems. However, the 5 TT state often decays via several pathways: (1) dissociation into isolated triplets; (2) triplet–triplet annihilation back into the singlet manifold; or (3) spin conversion to lower-multiplicity triplet pair states. These competing relaxation channels pose a major challenge for stabilizing 5 TT. Here, we introduce a novel molecular design that prolongs 5 TT lifetime by anchoring two pentacene chromophores to the same carbon (C9) position of a fluorene bridge, yielding FlePc2 and FlePhPc2 . This single-point attachment enforces a near-parallel intramolecular geometry, promoting strong through-space spin interactions that hinder dissociation. Field-swept electron spin echo (FS-ESE) measurements reveal dominant 5 TT signals, indicative of suppressed relaxation pathways. Theoretical calculations predict a substantial binding energy for the reported dimers, accompanied by significant spin density delocalization across both pentacenes, thereby rationalizing 5 TT stabilization. These findings establish a molecular design principle for kinetically trapping high-spin multiexciton states, paving the way for spin-based quantum technologies.
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