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Achieving Symmetry-Breaking Charge Separation in Perylenediimide Trimers: The Effect of Bridge Resonance

共振(粒子物理) 化学物理 激子 联轴节(管道) 吸收(声学) 半导体 化学 材料科学 电子结构 光化学 计算化学 原子物理学 光电子学 物理 凝聚态物理 复合材料 冶金
作者
Kangwei Wang,Guangwei Shao,Shaoqian Peng,Xiaoxiao You,Xingyu Chen,Jingwen Xu,Huaxi Huang,Huan Wang,Di Wu,Jianlong Xia
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (20): 3758-3767 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c02387
摘要

Symmetry-breaking charge separation (SB-CS) provides a very promising option to engineer a novel light conversion scheme, while it is still a challenge to realize SB-CS in a nonpolar environment. The strength of electronic coupling plays a crucial role in determining the exciton dynamics of organic semiconductors. Herein, we describe how to mediate interchromophore coupling to achieve SB-CS in a nonpolar solvent by the use of two perylenediimide (PDI)-based trimers, 1,7-tri-PDI and 1,6-tri-PDI. Although functionalization at the N-atom decreases electronic coupling between PDI units, our strategy takes advantage of "bridge resonance", in which the frontier orbital energies are nearly degenerate with those of the covalently linked PDI units, leading to enhanced interchromophore electronic coupling. Tunable electronic coupling was realized by the judicious combination of "bridge resonance" with N-functionalization. The enhanced mixing between the S1 state and CT/CS states results in direct observation of the CT band in the steady-state UV–vis absorption and negative free energy of charge separation (ΔGCS) in both chloroform and toluene for the two trimers. Using transient absorption spectroscopy, we demonstrated that photoinduced SB-CS in a nonpolar solvent is feasible. This work highlights that the use of "bridge resonance" is an effective way to control exciton dynamics of organic semiconductors.
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