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First-Principles Quantum Dynamics of Singlet Fission: Coherent versus Thermally Activated Mechanisms Governed by MolecularπStacking

单重态 物理 裂变 量子 量子点 激发态 量子力学 中子
作者
Hiroyuki Tamura,Miquel Huix‐Rotllant,Irène Burghardt,Yoann Olivier,David Beljonne
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:115 (10) 被引量:152
标识
DOI:10.1103/physrevlett.115.107401
摘要

Singlet excitons in $\ensuremath{\pi}$-stacked molecular crystals can split into two triplet excitons in a process called singlet fission that opens a route to carrier multiplication in photovoltaics. To resolve controversies about the mechanism of singlet fission, we have developed a first principles nonadiabatic quantum dynamical model that reveals the critical role of molecular stacking symmetry and provides a unified picture of coherent versus thermally activated singlet fission mechanisms in different acenes. The slip-stacked equilibrium packing structure of pentacene derivatives is found to enhance ultrafast singlet fission mediated by a coherent superexchange mechanism via higher-lying charge transfer states. By contrast, the electronic couplings for singlet fission strictly vanish at the ${C}_{2h}$ symmetric equilibrium $\ensuremath{\pi}$ stacking of rubrene. In this case, singlet fission is driven by excitations of symmetry-breaking intermolecular vibrations, rationalizing the experimentally observed temperature dependence. Design rules for optimal singlet fission materials therefore need to account for the interplay of molecular $\ensuremath{\pi}$-stacking symmetry and phonon-induced coherent or thermally activated mechanisms.

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