单线态裂分过程中的相干效应研究

Singlet fission converts a photo-excited singlet exciton into two triplet excitons, which can be potentially implanted in solar cells to break the efficiency limit. Nevertheless, the mechanism of singlet fission remains elusive, and it is very difficult to efficiently separate the correlated triplet pairs, making it challenging to be applied in a practical device. To address these issues, we propose to investigate the dynamics of singlet fission from a view of quantum coherence with the methods of two-dimensional electronic spectroscopy and transient magneto-optical spectroscopy. We plan to study the effect quantum coherence during the conversion process from singlet exciton to intermediate triplet pair state by two-dimensional electronic spectroscopy and the effect of spin coherence during the separation process from intermediate state to free triplets. The results can potentially elucidate the mechanism of endothermal singlet fission, uncover the role of vibronic coherence in the intramolecular singlet fission, and tackle the challenge of efficient separating the correlated triplet pair. The project will be beneficial for understanding the mechanism of singlet fission which may stimulate the search of highly efficient singlet fission sensitizer and the demonstration of singlet fission in practical devices.

借助自旋多样性，单线态裂分将光激发单线态激子转变成一对三线态激子，可用以突破现有光电转换器件的理论极限，然而单线态裂分的机理不清，高效拆分三线态激子对也极富挑战，使得单线态裂分实用化非常困难。为解决这些问题，本项目计划从量子相干的角度，采用二维电子光谱和瞬态磁光光谱方法研究单线态裂分材料中的激子动力学过程。具体来说，我们将利用二维电子光谱来研究电子、电声相干性在单线态转变成三线态激子对中间态过程中的作用，以及借助瞬态磁光光谱方法探索借助自旋相干性提升中间态解离成自由三线态的可能。预期结果将能深入理解吸热型单线态裂分的能量补偿机制，揭示分子内单线态裂分过程中的电声相干性，以及提出分子内单线态裂分材料中中间态拆分成自由三线态激子的新方法。项目的进行不仅有助于理解单线态裂分的机理，也将能够帮助高效单线态裂分材料的合成，推动单线态裂分器件实用化。

单线态裂分通过一个单线态激子转化为两个三线态激子实现载流子倍增，有望突破光电转换的Shockley-Queisser(S-Q)极限。深入理解单线态裂分动力学过程对设计高效单线态裂分材料及器件具有重要意义，然而单线态裂分的动力学过程涉及复杂的电子振动和自旋自由度的演化。为此，项目计划从量子相干角度研究单线态裂分的动力学过程。利用发展的二维电子光谱技术和瞬态磁光光谱技术，项目组重点研究了三线态激子对生成动力学中的相干电子振动耦合效应，三线态激子对解离过程涉及不同自旋相干态的磁效应，并通过使用自主开发的微弱超快光谱信号测量技术对有机半导体体系中的光电荷产生和损耗动力学做了很多拓展性研究。项目执行期间，项目组具体深入开展了两方面的工作。首先，利用发展的二维电子光谱技术区分不同激发态的超快单线态裂分过程，揭示了吸热单线态裂分代表体系并四苯单晶中的能量补偿机制。同时，采用开发的瞬态磁光光谱方法，揭示了长程中间态主导的荧光量子拍机制，完善了并四苯晶体分子间单线态裂分的物理图像；进一步地，创新性地采用磁场下的瞬态吸收光谱方法，揭示了长程中间态介导的分子内单线态裂分效应，从并四苯二体到四体实现单线态裂分效率提升六倍。项目取得了丰富的成果，在Nat. Chem. (1 篇), Nat. Energy (1篇), Nat. Commun. (2 篇), J. Am. Chem. Soc. (2 篇)等领域内知名期刊发表论文20余篇，获得专利授权2项。