Higher-Energy Charge Transfer States Facilitate Charge Separation in Donor–Acceptor Molecular Dyads

含时密度泛函理论 激发态 离域电子 哈密顿量(控制论) 原子物理学 接受者 密度泛函理论 电荷(物理) 物理 激子 分子物理学 化学 量子力学 数学 数学优化
作者
Donghyun Lee,Michael A. Forsuelo,Aleksey A. Kocherzhenko,K. Birgitta Whaley
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (24): 13043-13051 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b03197
摘要

We simulate subpicosecond charge separation in two donor–acceptor molecular dyads. Charge separation dynamics is described using a quantum master equation, with parameters of the dyad Hamiltonian obtained from density functional theory (DFT) and time-dependent density functional theory (TDDFT) calculations and the rate of energy dissipation estimated from Ehrenfest-TDDFT molecular dynamics simulations. We find that higher-energy charge transfer states must be included in the dyad Hamiltonian in order to obtain agreement of charge separation rates with the experimental values. Our results show that efficient and irreversible charge separation involves both coherent electron transfer from the donor excited state to higher-energy unoccupied states on the acceptor and incoherent energy dissipation that relaxes the dyad to the lowest energy charge transfer state. The role of coherence depends on the initial excited state, with electron delocalization within Hamiltonian eigenstates found to be more important than coherence between eigenstates. We conclude that ultrafast charge separation is most likely to occur in donor–acceptor dyads possessing dense manifolds of charge transfer states at energies close to those of Frenkel excitons on the donor, with strong couplings to these states enabling partial delocalization of eigenstates over acceptor and donor.
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