Interplay between Mixed and Pure Exciton States Controls Singlet Fission in Rubrene Single Crystals

化学 橡胶 单重态裂变 激子 单重态 裂变 化学物理 结晶学 凝聚态物理 核物理学 三重态 物理 有机化学 分子 激发态 中子
作者
Dmitry R. Maslennikov,Marios Maimaris,Haoqing Ning,Xijia Zheng,Navendu Mondal,Vladimir V. Bruevich,Saied Md Pratik,Yifan Dong,J. W. G. Tisch,Andrew J. Musser,Vitaly Podzorov,Jean‐Luc Brédas,Veaceslav Coropceanu,Artem A. Bakulin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02993
摘要

Singlet fission (SF) is a multielectron process in which one singlet exciton S converts into a pair of separated triplet excitons T. SF is widely studied as it may help overcome the Shockley-Queisser efficiency limit for semiconductor photovoltaic cells. To elucidate and control the SF mechanism, great attention has been given to the identification of intermediate states in SF materials, which often appear elusive due to the complexity and fast time scales of the SF process. Here, we apply 14 fs-1 ms transient absorption techniques to high-purity rubrene single crystals to disentangle the intrinsic fission dynamics from the effects of defects and grain boundaries and to identify reliably the fission intermediates. Our data demonstrates that above-gap excitation directly generates a hybrid vibronically assisted mixture of singlet state and triplet-pair multiexciton [S/TT], which rapidly (<100 fs) and coherently branches into pure singlet or triplet excitations. The relaxation of [S/TT] to S is followed by a relatively slow and temperature-activated (48 meV activation energy) incoherent fission process. The SF competing pathways and intermediates revealed here unify the observations and models presented in previous studies of SF in rubrene and offer alternative strategies for the development of SF-enhanced photovoltaic materials.
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