Accelerating symmetry-breaking charge separation in a perylenediimide trimer through a vibronically coherent dimer intermediate

三聚体 振动耦合 化学 发色团 对称性破坏 化学物理 激发态 二聚体 分子物理学 分子振动 聚二乙炔 激子 电荷(物理) 共价键 光化学 原子物理学 分子 凝聚态物理 单体 物理 量子力学 聚合物 有机化学
作者
Chenjian Lin,Taeyeon Kim,Jonathan D. Schultz,Ryan M. Young,Michael R. Wasielewski
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:14 (7): 786-793 被引量:88
标识
DOI:10.1038/s41557-022-00927-y
摘要

Understanding the photophysics and photochemistry of molecular π-stacked chromophores is important for utilizing them as functional photonic materials. However, these investigations have been mostly limited to covalent molecular dimers, which can only approximate the electronic and vibronic interactions present in the higher oligomers typical of functional organic materials. Here we show that a comparison of the excited-state dynamics of a covalent slip-stacked perylenediimide dimer (2) and trimer (3) provides fundamental insights into electronic state mixing and symmetry-breaking charge separation (SB-CS) beyond the dimer limit. We find that coherent vibronic coupling to high-frequency modes facilitates ultrafast state mixing between the Frenkel exciton (FE) and charge-transfer (CT) states. Subsequently, solvent fluctuations and interchromophore low-frequency vibrations promote CT character in the coherent FE/CT mixed state. The coherent FE/CT mixed state persists in 2, but, in 3, low-frequency vibronic coupling collapses the coherence, resulting in ultrafast SB-CS between the distal perylenediimide units.
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