Several recent electron spin resonance studies have observed a quintet multiexciton state during the singlet fission process. Here, we provide a general theoretical explanation for the generation of this state by invoking a time-varying exchange coupling between pairs of triplet excitons and subsequently solving the relevant time-varying spin Hamiltonian for different rates at which the exchange coupling varies. We simulate experimental ESR spectra and draw qualitative conclusions about the adiabatic and diabatic transitions between triplet pair spin states.
REFERENCES
1.
W.
Shockley
and H. J.
Queisser
, J. Appl. Phys.
32
(3
), 510
–519
(1961
).2.
D. N.
Congreve
, J.
Lee
, N. J.
Thompson
, E.
Hontz
, S. R.
Yost
, P. D.
Reusswig
, M. E.
Bahlke
, S.
Reineke
, T.
Van Voorhis
, and M. A.
Baldo
, Science
340
(6130
), 334
–337
(2013
).3.
M. J. Y.
Tayebjee
, D. R.
McCamey
, and T. W.
Schmidt
, J. Phys. Chem. Lett.
6
(12
), 2367
–2378
(2015
).4.
M.
Tuan Trinh
, A.
Pinkard
, A. B.
Pun
, S. N.
Sanders
, E.
Kumarasamy
, M. Y.
Sfeir
, L. M.
Campos
, X.
Roy
, and X. Y.
Zhu
, Sci. Adv.
3
(7
), e1700241
(2017
).5.
M. B.
Smith
and J.
Michl
, Chem. Rev.
110
(11
), 6891
–6936
(2010
).6.
G. D.
Scholes
, J. Phys. Chem. A
119
(51
), 12699
–12705
(2015
).7.
J. J.
Burdett
and C. J.
Bardeen
, J. Am. Chem. Soc.
134
(20
), 8597
–8607
(2012
).8.
M. J. Y.
Tayebjee
, S. N.
Sanders
, E.
Kumarasamy
, L. M.
Campos
, M. Y.
Sfeir
, and D. R.
McCamey
, Nat. Phys.
13
(2
), 182
–188
(2017
).9.
L. R.
Weiss
, S. L.
Bayliss
, F.
Kraffert
, K. J.
Thorley
, J. E.
Anthony
, R.
Bittl
, R. H.
Friend
, A.
Rao
, N. C.
Greenham
, and J.
Behrends
, Nat. Phys.
13
(2
), 176
–181
(2017
).10.
A. B.
Pun
, A.
Asadpoordarvish
, E.
Kumarasamy
, M. J. Y.
Tayebjee
, D.
Niesner
, D. R.
McCamey
, S. N.
Sanders
, L. M.
Campos
, and M. Y.
Sfeir
, Nat. Chem.
11
, 821
–828
(2019
).11.
I.
Papadopoulos
, J.
Zirzlmeier
, C.
Hetzer
, Y. J.
Bae
, M. D.
Krzyaniak
, M. R.
Wasielewski
, T.
Clark
, R. R.
Tykwinski
, and D. M.
Guldi
, J. Am. Chem. Soc.
141
(15
), 6191
–6203
(2019
).12.
E.
Kumarasamy
, S. N.
Sanders
, M. J. Y.
Tayebjee
, A.
Asadpoordarvish
, T. J. H.
Hele
, E. G.
Fuemmeler
, A. B.
Pun
, L. M.
Yablon
, J. Z.
Low
, D. W.
Paley
, J. C.
Dean
, B.
Choi
, G. D.
Scholes
, M. L.
Steigerwald
, N.
Ananth
, D. R.
McCamey
, M. Y.
Sfeir
, and L. M.
Campos
, J. Am. Chem. Soc.
139
(36
), 12488
–12494
(2017
).13.
D.
Lubert-Perquel
, E.
Salvadori
, M.
Dyson
, P. N.
Stavrinou
, R.
Montis
, H.
Nagashima
, Y.
Kobori
, S.
Heutz
, and C. W. M.
Kay
, Nat. Commun.
9
(1
), 4222
(2018
).14.
B. S.
Basel
, J.
Zirzlmeier
, C.
Hetzer
, B. T.
Phelan
, M. D.
Krzyaniak
, S. R.
Reddy
, P. B.
Coto
, N. E.
Horwitz
, R. M.
Young
, F. J.
White
, F.
Hampel
, T.
Clark
, M.
Thoss
, R. R.
Tykwinski
, M. R.
Wasielewski
, and D. M.
Guldi
, Nat. Commun.
8
(May
), 15171
(2017
).15.
P. M.
Zimmerman
, C. B.
Musgrave
, and M.
Head-Gordon
, Acc. Chem. Res.
46
(6
), 1339
–1347
(2013
).16.
H.
Kim
and P. M.
Zimmerman
, Phys. Chem. Chem. Phys.
20
(48
), 30083
–30094
(2018
).17.
T.
Yago
and M.
Wakasa
, Chem. Phys. Lett.
695
(February
), 240
–244
(2018
).18.
S. R.
Yost
, J.
Lee
, M. W. B.
Wilson
, T.
Wu
, D. P.
McMahon
, R. R.
Parkhurst
, N. J.
Thompson
, D. N.
Congreve
, A.
Rao
, K.
Johnson
, M. Y.
Sfeir
, M. G.
Bawendi
, T. M.
Swager
, R. H.
Friend
, M. A.
Baldo
, and T.
Van Voorhis
, Nat. Chem.
6
(6
), 492
–497
(2014
).19.
S. R.
Reddy
, P. B.
Coto
, and M. J.
Thoss
, Phys. Chem. Lett.
9
(20
), 5979
–5986
(2018
).20.
X.
Feng
, A. V.
Luzanov
, and A. I.
Krylov
, J. Phys. Chem. Lett.
4
(22
), 3845
–3852
(2013
).21.
S.
Khan
and S. J.
Mazumdar
, Phys. Chem. Lett.
8
(18
), 4468
–4478
(2017
).22.
S. N.
Sanders
, E.
Kumarasamy
, A. B.
Pun
, M. T.
Trinh
, B.
Choi
, J.
Xia
, E. J.
Taffet
, J. Z.
Low
, J. R.
Miller
, X.
Roy
, X. Y.
Zhu
, M. L.
Steigerwald
, M. Y.
Sfeir
, and L. M.
Campos
, J. Am. Chem. Soc.
137
(28
), 8965
–8972
(2015
).23.
N. V.
Korovina
, J.
Joy
, X.
Feng
, C.
Feltenberger
, A. I.
Krylov
, S. E.
Bradforth
, and M. E.
Thompson
, J. Am. Chem. Soc.
140
(32
), 10179
–10190
(2018
).24.
S.
Lukman
, A. J.
Musser
, K.
Chen
, S.
Athanasopoulos
, C. K.
Yong
, Z.
Zeng
, Q.
Ye
, C.
Chi
, J. M.
Hodgkiss
, J.
Wu
, R. H.
Friend
, and N. C.
Greenham
, Adv. Funct. Mater.
25
(34
), 5452
–5461
(2015
).25.
E. G.
Fuemmeler
, S. N.
Sanders
, A. B.
Pun
, E.
Kumarasamy
, T.
Zeng
, K.
Miyata
, M. L.
Steigerwald
, X. Y.
Zhu
, M. Y.
Sfeir
, L. M.
Campos
, and N.
Ananth
, ACS Cent. Sci.
2
(5
), 316
–324
(2016
).26.
J.
Zirzlmeier
, D.
Lehnherr
, P. B.
Coto
, E. T.
Chernick
, R.
Casillas
, B. S.
Basel
, M.
Thoss
, R. R.
Tykwinski
, and D. M.
Guldi
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
(17
), 5325
–5330
(2015
).27.
A. M.
Müller
, Y. S.
Avlasevich
, K.
Müllen
, and C.
Bardeen
, Chem. Phys. Lett.
421
(4-6
), 518
–522
(2006
).28.
J. D.
Cook
, T. J.
Carey
, and N. H.
Damrauer
, J. Phys. Chem. A
120
(26
), 4473
–4481
(2016
).29.
A.
Imamura
and R.
Hoffmann
, J. Am. Chem. Soc.
90
(20
), 5379
–5385
(1968
).30.
O.
Bastiansen
and S.
Samdal
, J. Mol. Struct.
128
(1-3
), 115
–125
(1985
).31.
R. E.
Merrifield
, Pure Appl. Chem.
27
(3
), 481
–498
(1971
).32.
A.
Rosspeintner
, B.
Lang
, and E.
Vauthey
, Annu. Rev. Phys. Chem.
64
(1
), 247
–271
(2013
).33.
J. R.
Johansson
, P. D.
Nation
, and F.
Nori
, Comput. Phys. Commun.
184
(4
), 1234
–1240
(2013
).34.
S.
Stoll
and A.
Schweiger
, J. Magn. Reson.
178
(1
), 42
–55
(2006
).35.
S.
Stoll
and A.
Schweiger
, Biol. Magn. Reson.
27
, 299
–321
(2007
).36.
H.
Nagashima
, S.
Kawaoka
, S.
Akimoto
, T.
Tachikawa
, Y.
Matsui
, H.
Ikeda
, and Y.
Kobori
, J. Phys. Chem. Lett.
9
(19
), 5855
–5861
(2018
).© 2019 Author(s).
2019
Author(s)
You do not currently have access to this content.