Excited state electron and hole transfer underpin fundamental steps in processes such as exciton dissociation at photovoltaic heterojunctions, photoinduced charge transfer at electrodes, and electron transfer in photosynthetic reaction centers. Diabatic states corresponding to charge or excitation localized species, such as locally excited and charge transfer states, provide a physically intuitive framework to simulate and understand these processes. However, obtaining accurate diabatic states and their couplings from adiabatic electronic states generally leads to inaccurate results when combined with low-tier electronic structure methods, such as time-dependent density functional theory, and exorbitant computational cost when combined with high-level wavefunction-based methods. Here, we introduce a density functional theory (DFT)-based diabatization scheme that directly constructs the diabatic states using absolutely localized molecular orbitals (ALMOs), which we denote as Δ-ALMO(MSDFT2). We demonstrate that our method, which combines ALMO calculations with the ΔSCF technique to construct electronically excited diabatic states and obtains their couplings with charge-transfer states using our MSDFT2 scheme, gives accurate results for excited state electron and hole transfer in both charged and uncharged systems that underlie DNA repair, charge separation in donor–acceptor dyads, chromophore-to-solvent electron transfer, and singlet fission. This framework for the accurate and efficient construction of excited state diabats and evaluation of their couplings directly from DFT thus offers a route to simulate and elucidate photoinduced electron and hole transfer in large disordered systems, such as those encountered in the condensed phase.

1.
R. A.
Marcus
,
J. Chem. Phys.
24
,
966
(
1956
).
2.
N. S.
Hush
,
Trans. Faraday Soc.
57
,
557
(
1961
).
3.
R. A.
Marcus
,
Rev. Mod. Phys.
65
,
599
(
1993
).
4.
P.
Hohenberg
and
W.
Kohn
,
Phys. Rev.
136
,
B864
(
1964
).
5.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
6.
R. J.
Cave
and
M. D.
Newton
,
Chem. Phys. Lett.
249
,
15
(
1996
).
7.
R. J.
Cave
and
M. D.
Newton
,
J. Chem. Phys.
106
,
9213
(
1997
).
8.
A. A.
Voityuk
and
N.
Rösch
,
J. Chem. Phys.
117
,
5607
(
2002
).
9.
A. A.
Voityuk
,
J. Phys. Chem. C
117
,
2670
(
2013
).
10.
C.-P.
Hsu
,
Z.-Q.
You
, and
H.-C.
Chen
,
J. Phys. Chem. C
112
,
1204
(
2008
).
11.
C.-P.
Hsu
,
Acc. Chem. Res.
42
,
509
(
2009
).
12.
Z.-Q.
You
and
C.-P.
Hsu
,
J. Chem. Phys.
133
,
074105
(
2010
).
13.
J. E.
Subotnik
,
S.
Yeganeh
,
R. J.
Cave
, and
M. A.
Ratner
,
J. Chem. Phys.
129
,
244101
(
2008
).
14.
J. E.
Subotnik
,
R. J.
Cave
,
R. P.
Steele
, and
N.
Shenvi
,
J. Chem. Phys.
130
,
234102
(
2009
).
15.
J. E.
Subotnik
,
J.
Vura-Weis
,
A. J.
Sodt
, and
M. A.
Ratner
,
J. Phys. Chem. A
114
,
8665
(
2010
).
16.
J. E.
Subotnik
,
E. C.
Alguire
,
Q.
Ou
,
B. R.
Landry
, and
S.
Fatehi
,
Acc. Chem. Res.
48
,
1340
(
2015
).
17.
E.
Runge
and
E. K. U.
Gross
,
Phys. Rev. Lett.
52
,
997
(
1984
).
18.
A.
Dreuw
and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Rev.
105
,
4009
(
2005
).
19.
M. E.
Casida
and
M.
Huix-Rotllant
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
63
,
287
(
2012
).
20.
A.
Dreuw
and
M.
Head-Gordon
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
4007
(
2004
).
21.
Y.
Tawada
,
T.
Tsuneda
,
S.
Yanagisawa
,
T.
Yanai
, and
K.
Hirao
,
J. Chem. Phys.
120
,
8425
(
2004
).
22.
T.
Yanai
,
D. P.
Tew
, and
N. C.
Handy
,
Chem. Phys. Lett.
393
,
51
(
2004
).
23.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
128
,
084106
(
2008
).
24.
M. A.
Rohrdanz
,
K. M.
Martins
, and
J. M.
Herbert
,
J. Chem. Phys.
130
,
054112
(
2009
).
25.
T.
Stein
,
L.
Kronik
, and
R.
Baer
,
J. Am. Chem. Soc.
131
,
2818
(
2009
).
26.
R.
Baer
,
E.
Livshits
, and
U.
Salzner
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
61
,
85
(
2010
).
27.
I.
Kondov
,
M.
Čížek
,
C.
Benesch
,
H.
Wang
, and
M.
Thoss
,
J. Phys. Chem. C
111
,
11970
(
2007
).
28.
K.
Senthilkumar
,
F. C.
Grozema
,
F. M.
Bickelhaupt
, and
L. D. A.
Siebbeles
,
J. Chem. Phys.
119
,
9809
(
2003
).
29.
H.
Oberhofer
and
J.
Blumberger
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
13846
(
2012
).
30.
C.
Schober
,
K.
Reuter
, and
H.
Oberhofer
,
J. Chem. Phys.
144
,
054103
(
2016
).
31.
Q.
Wu
and
T.
Van Voorhis
,
J. Chem. Phys.
125
,
164105
(
2006
).
32.
T.
Van Voorhis
,
T.
Kowalczyk
,
B.
Kaduk
,
L.-P.
Wang
,
C.-L.
Cheng
, and
Q.
Wu
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
61
,
149
(
2010
).
33.
M.
Pavanello
,
T.
Van Voorhis
,
L.
Visscher
, and
J.
Neugebauer
,
J. Chem. Phys.
138
,
054101
(
2013
).
34.
P.
Ramos
and
M.
Pavanello
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
2546
(
2014
).
35.
A.
Cembran
,
L.
Song
,
Y.
Mo
, and
J.
Gao
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
2702
(
2009
).
36.
H.
Ren
,
M. R.
Provorse
,
P.
Bao
,
Z.
Qu
, and
J.
Gao
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2286
(
2016
).
37.
Y.
Mao
,
A.
Montoya-Castillo
, and
T. E.
Markland
,
J. Chem. Phys.
151
,
164114
(
2019
).
38.
S.
Difley
and
T.
Van Voorhis
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
594
(
2011
).
39.
Q.
Wu
and
T.
Van Voorhis
,
Phys. Rev. A
72
,
024502
(
2005
).
40.
Q.
Wu
and
T.
Van Voorhis
,
J. Chem. Theory Comput.
2
,
765
(
2006
).
41.
Q.
Wu
,
C.-L.
Cheng
, and
T.
Van Voorhis
,
J. Chem. Phys.
127
,
164119
(
2007
).
42.
W.-L.
Chan
,
T. C.
Berkelbach
,
M. R.
Provorse
,
N. R.
Monahan
,
J. R.
Tritsch
,
M. S.
Hybertsen
,
D. R.
Reichman
,
J.
Gao
, and
X.-Y.
Zhu
,
Acc. Chem. Res.
46
,
1321
(
2013
).
43.
44.
Y.
Mo
,
L.
Song
, and
Y.
Lin
,
J. Phys. Chem. A
111
,
8291
(
2007
).
45.
T.
Ziegler
,
A.
Rauk
, and
E. J.
Baerends
,
Theor. Chim. Acta
43
,
261
(
1977
).
46.
T.
Kowalczyk
,
S. R.
Yost
, and
T. V.
Voorhis
,
J. Chem. Phys.
134
,
054128
(
2011
).
47.
G. M. J.
Barca
,
A. T. B.
Gilbert
, and
P. M. W.
Gill
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
1501
(
2018
).
48.
R. Z.
Khaliullin
,
M.
Head-Gordon
, and
A. T.
Bell
,
J. Chem. Phys.
124
,
204105
(
2006
).
49.
J. F.
Stanton
and
J.
Gauss
,
J. Chem. Phys.
101
,
8938
(
1994
).
51.
R. S.
Mulliken
,
J. Chem. Phys.
23
,
1833
(
1955
).
52.
R. Z.
Khaliullin
,
E. A.
Cobar
,
R. C.
Lochan
,
A. T.
Bell
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Phys. Chem. A
111
,
8753
(
2007
).
53.
P. R.
Horn
,
Y.
Mao
, and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
23067
(
2016
).
54.
A. T. B.
Gilbert
,
N. A.
Besley
, and
P. M. W.
Gill
,
J. Phys. Chem. A
112
,
13164
(
2008
).
55.
P.
Pulay
,
J. Comput. Chem.
3
,
556
(
1982
).
56.
H.
Stoll
,
G.
Wagenblast
, and
H.
Preubeta
,
Theor. Chim. Acta
57
,
169
(
1980
).
57.
P. R.
Horn
,
E. J.
Sundstrom
,
T. A.
Baker
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
138
,
134119
(
2013
).
58.
P. O.
Löwdin
,
J. Chem. Phys.
18
,
365
(
1950
).
59.
A.
Amos
and
G.
Hall
,
Proc. R. Soc. A
263
,
483
(
1961
).
60.
A. J. W.
Thom
and
M.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
131
,
124113
(
2009
).
61.
A. F.
Morrison
,
Z.-Q.
You
, and
J. M.
Herbert
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
5366
(
2014
).
62.
A. F.
Morrison
and
J. M.
Herbert
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4390
(
2015
).
63.
T.
Fujita
and
Y.
Mochizuki
,
J. Phys. Chem. A
122
,
3886
(
2018
).
64.
P.
Ramos
,
M.
Papadakis
, and
M.
Pavanello
,
J. Phys. Chem. B
119
,
7541
(
2015
).
65.
Y.
Shao
,
Z.
Gan
,
E.
Epifanovsky
,
A. T. B.
Gilbert
,
M.
Wormit
,
J.
Kussmann
,
A. W.
Lange
,
A.
Behn
,
J.
Deng
,
X.
Feng
,
D.
Ghosh
,
M.
Goldey
,
P. R.
Horn
,
L. D.
Jacobson
,
I.
Kaliman
,
R. Z.
Khaliullin
,
T.
Kuś
,
A.
Landau
,
J.
Liu
,
E. I.
Proynov
,
Y. M.
Rhee
,
R. M.
Richard
,
M. A.
Rohrdanz
,
R. P.
Steele
,
E. J.
Sundstrom
,
H. L.
Woodcock
,
P. M.
Zimmerman
,
D.
Zuev
,
B.
Albrecht
,
E.
Alguire
,
B.
Austin
,
G. J. O.
Beran
,
Y. A.
Bernard
,
E.
Berquist
,
K.
Brandhorst
,
K. B.
Bravaya
,
S. T.
Brown
,
D.
Casanova
,
C.-M.
Chang
,
Y.
Chen
,
S. H.
Chien
,
K. D.
Closser
,
D. L.
Crittenden
,
M.
Diedenhofen
,
R. A.
DiStasio
,
H.
Do
,
A. D.
Dutoi
,
R. G.
Edgar
,
S.
Fatehi
,
L.
Fusti-Molnar
,
A.
Ghysels
,
A.
Golubeva-Zadorozhnaya
,
J.
Gomes
,
M. W. D.
Hanson-Heine
,
P. H. P.
Harbach
,
A. W.
Hauser
,
E. G.
Hohenstein
,
Z. C.
Holden
,
T.-C.
Jagau
,
H.
Ji
,
B.
Kaduk
,
K.
Khistyaev
,
J.
Kim
,
J.
Kim
,
R. A.
King
,
P.
Klunzinger
,
D.
Kosenkov
,
T.
Kowalczyk
,
C. M.
Krauter
,
K. U.
Lao
,
A. D.
Laurent
,
K. V.
Lawler
,
S. V.
Levchenko
,
C. Y.
Lin
,
F.
Liu
,
E.
Livshits
,
R. C.
Lochan
,
A.
Luenser
,
P.
Manohar
,
S. F.
Manzer
,
S.-P.
Mao
,
N.
Mardirossian
,
A. V.
Marenich
,
S. A.
Maurer
,
N. J.
Mayhall
,
E.
Neuscamman
,
C. M.
Oana
,
R.
Olivares-Amaya
,
D. P.
O’Neill
,
J. A.
Parkhill
,
T. M.
Perrine
,
R.
Peverati
,
A.
Prociuk
,
D. R.
Rehn
,
E.
Rosta
,
N. J.
Russ
,
S. M.
Sharada
,
S.
Sharma
,
D. W.
Small
,
A.
Sodt
,
T.
Stein
,
D.
Stück
,
Y.-C.
Su
,
A. J. W.
Thom
,
T.
Tsuchimochi
,
V.
Vanovschi
,
L.
Vogt
,
O.
Vydrov
,
T.
Wang
,
M. A.
Watson
,
J.
Wenzel
,
A.
White
,
C. F.
Williams
,
J.
Yang
,
S.
Yeganeh
,
S. R.
Yost
,
Z.-Q.
You
,
I. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhao
,
B. R.
Brooks
,
G. K. L.
Chan
,
D. M.
Chipman
,
C. J.
Cramer
,
W. A.
Goddard
,
M. S.
Gordon
,
W. J.
Hehre
,
A.
Klamt
,
H. F.
Schaefer
,
M. W.
Schmidt
,
C. D.
Sherrill
,
D. G.
Truhlar
,
A.
Warshel
,
X.
Xu
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Baer
,
A. T.
Bell
,
N. A.
Besley
,
J.-D.
Chai
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
C.-P.
Hsu
,
Y.
Jung
,
J.
Kong
,
D. S.
Lambrecht
,
W.
Liang
,
C.
Ochsenfeld
,
V. A.
Rassolov
,
L. V.
Slipchenko
,
J. E.
Subotnik
,
T.
Van Voorhis
,
J. M.
Herbert
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Mol. Phys.
113
,
184
(
2015
).
66.
J.-D.
Chai
and
M.
Head-Gordon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
10
,
6615
(
2008
).
67.
W. J.
Hehre
,
R.
Ditchfield
, and
J. A.
Pople
,
J. Chem. Phys.
56
,
2257
(
1972
).
68.
M. J.
Frisch
,
J. A.
Pople
, and
J. S.
Binkley
,
J. Chem. Phys.
80
,
3265
(
1984
).
69.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
88
,
2547
(
1988
).
70.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
71.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
72.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
73.
C.
Adamo
and
V.
Barone
,
J. Chem. Phys.
110
,
6158
(
1999
).
74.
S.
Hirata
and
M.
Head-Gordon
,
Chem. Phys. Lett.
314
,
291
(
1999
).
75.
J. F.
Stanton
and
R. J.
Bartlett
,
J. Chem. Phys.
98
,
7029
(
1993
).
76.
S.
Chaudhuri
,
A.
Acharya
,
E. T. J.
Nibbering
, and
V. S.
Batista
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
2657
(
2019
).
77.
T.
Zeng
,
R.
Hoffmann
, and
N.
Ananth
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
5755
(
2014
).
78.
T. C.
Berkelbach
,
M. S.
Hybertsen
, and
D. R.
Reichman
,
J. Chem. Phys.
138
,
114103
(
2013
).
79.
C.
Butchosa
,
S.
Simon
,
L.
Blancafort
, and
A.
Voityuk
,
J. Phys. Chem. B
116
,
7815
(
2012
).
80.
M.
Rust
,
J.
Lappe
, and
R. J.
Cave
,
J. Phys. Chem. A
106
,
3930
(
2002
).
81.
M.
Head-Gordon
,
A. M.
Grana
,
D.
Maurice
, and
C. A.
White
,
J. Phys. Chem.
99
,
14261
(
1995
).
82.
J. R.
Platt
,
J. Chem. Phys.
17
,
484
(
1949
).
83.
P. M.
Zimmerman
,
F.
Bell
,
D.
Casanova
, and
M.
Head-Gordon
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
19944
(
2011
).
84.
X.
Feng
,
A. V.
Luzanov
, and
A. I.
Krylov
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
3845
(
2013
).
85.
M. B.
Smith
and
J.
Michl
,
Chem. Rev.
110
,
6891
(
2010
).
86.
M. B.
Smith
and
J.
Michl
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
64
,
361
(
2013
).
87.
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
,
334
(
2013
).
88.
T. C.
Berkelbach
,
M. S.
Hybertsen
, and
D. R.
Reichman
,
J. Chem. Phys.
141
,
074705
(
2014
).
89.
H.
Nakamura
and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Phys.
115
,
10353
(
2001
).
90.
H.
Nakamura
and
D. G.
Truhlar
,
J. Chem. Phys.
117
,
5576
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.