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反芳香性多环碳氢化合物的分子内单线态裂分

单重态裂分(singlet fission, SF)是指吸收一个光子产生的单重激发态分子与临近的另一基态分子相互作用,形成两个三重激发态的过程。通过SF,(吸收)一个光子将产生两个激子,这种多激子效应在光电转换、光催化、光检测等领域具有重要的应用。目前报道的绝大多数SF都是分子间的裂分过程,需要分子间存在有效的电荷耦合作用,因此这类材料的裂分性能很大程度上受到分子排布、形貌、缺陷等不可控因素的影响。分子内单重态裂分材料的裂分行为只与分子结构相关,是分子的内在性质,更具有实用价值。然而,目前这类材料屈指可数,发展具有分子内单线态裂分性能的新型材料体系仍然是一个挑战。近日,首都师范大学/天津大学付红兵点击查看介绍教授中科院化学研究所张德清点击查看介绍研究团队开展合作,开发了一类具有反芳香性的苯并芴搭烯(SDP)分子骨架体系,表现出高效的分子内单线态裂分性能。

图1. SDP二氯甲烷溶液和薄膜的飞秒瞬态吸收光谱及特征动力学曲线


在SDP化合物中,最低单重态S1是跃迁禁阻的,分子受光照后直接激发到S2态并满足单线态裂分的能量匹配条件,即E(S2) ≈ 2 × E(T1)。同时,独特的反芳香性结构把整个分子骨架分为相对独立的两部分,为分子内裂分的发生提供了足够的空间。他们利用瞬态光谱的方法表征了材料的激发态动力学过程,发现在稀溶液和固态薄膜中S2态都能发生超快的激子裂分过程形成1(T1T1)态。1(T1T1)态在溶液中发生快速的三重态-三重态复合回到基态(< 100 ps),而在薄膜中1(T1T1)可进一步发生三重态的激子迁移(exciton diffusion, ED),得到两个空间分离的长寿命三重态(15 μs),计算得到的最终三重态产率达到142%。这一工作拓展了新的分子内裂分体系,阐明了分子内裂分的微观机制,为进一步的基础研究和光伏应用提供了参考依据。

图2. SDP分子内单线态裂分的历程图


这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed 上,文章的第一作者是中科院化学研究所的吴义室副研究员和博士研究生王元成以及陈健伟


该论文作者为:Dr. Yishi Wu, Yuancheng Wang, Jianwei Chen, Guanxin Zhang, Prof. Jiannian Yao, Prof. Deqing Zhang, Prof. Hongbing Fu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Intramolecular Singlet Fission in an Antiaromatic Polycyclic Hydrocarbon

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9400, DOI: 10.1002/anie.201704668


导师介绍

付红兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/15493

张德清

http://www.x-mol.com/university/faculty/15475


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