Exciton Diffusion and Annihilation in an sp2 Carbon-Conjugated Covalent Organic Framework

激子 光激发 化学 离域电子 超快激光光谱学 光谱学 比克西顿 分子物理学 化学物理 激发 吸收光谱法 原子物理学 激发态 凝聚态物理 物理 光学 有机化学 量子力学
作者
Xinzi Zhang,Keyu Geng,Donglin Jiang,Gregory D. Scholes
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (36): 16423-16432 被引量:25
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04742
摘要

To optimize the optical and optoelectronic functionalities of two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs), detailed properties of emissive and nonradiative pathways after photoexcitation need to be elucidated and linked to particular structural designs. Here, we use transient absorption (TA) spectroscopy to study the colloidal suspension of the full sp2 carbon-conjugated sp2c-COF and characterize the spatial extent and diffusion dynamics of the emissive excitons generated by impulsive photoexcitation. The ∼3.5 Å stacking distance between 2D layers results in cofacial pyrene excitons that diffuse through the framework, while the state that dominates the emissive spectrum of the polycrystalline solid is assigned to an extended cofacial exciton whose 2D delocalization is promoted by C═C linkages. The subnanosecond kinetics of a photoinduced absorption (PIA) signal in the near-infrared, attributed to a charge-separated exciton, or polaron pair, reflects three-dimensional (3D) exciton diffusion as well as long-range exciton-exciton annihilation driven by resonance interactions. Within our experimental regime, doubling the excitation intensity results in a 10-fold increase in the estimated exciton diffusion length, from ∼3 to ∼30 nm, suggesting that higher lattice temperature may enhance exciton mobility in the COF colloid.
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