Large Exciton Diffusion Coefficients in Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks with Different Domain Sizes Revealed by Ultrafast Exciton Dynamics

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作者
Nathan C. Flanders,Matthew S. Kirschner,Pyosang Kim,Thomas J. Fauvell,Austin M. Evans,Waleed Helweh,Austin P. Spencer,Richard D. Schaller,William R. Dichtel,Lin X. Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (35): 14957-14965 被引量:131
标识
DOI:10.1021/jacs.0c05404
摘要

Large singlet exciton diffusion lengths are a hallmark of high performance in organic-based devices such as photovoltaics, chemical sensors, and photodetectors. In this study, exciton dynamics of a two-dimensional covalent organic framework, 2D COF-5, is investigated using ultrafast spectroscopic techniques. After photoexcitation, the COF-5 exciton decays via three pathways: (1) excimer formation (4 ± 2 ps), (2) excimer relaxation (160 ± 40 ps), and (3) excimer decay (>3 ns). Excitation fluence-dependent transient absorption studies suggest that COF-5 has a relatively large diffusion coefficient (0.08 cm2/s). Furthermore, exciton–exciton annihilation processes are characterized as a function of COF-5 crystallite domain size in four different samples, which reveal domain-size-dependent exciton diffusion kinetics. These results reveal that exciton diffusion in COF-5 is constrained by its crystalline domain size. These insights indicate the outstanding promise of delocalized excitonic processes available in 2D COFs, which motivate their continued design and implementation into optoelectronic devices.
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