Деление синглетного экситона в димерах полиацена в свободном состоянии и при изоляции в гелиевой нанокапле

Большой интерес к явлению «Деление Синглетного Экситона (ДСЭ)» (Singlet Fission) возник в последнее десятилетие в связи с открывшимися перспективами его использования в органической фотовольтаике. Согласно выполненным в литературе оценкам использование ДСЭ может повысить предельную эффективность (предел Шокли–Квайссера) конверсии солнечной энергии в электрическую в солнечных батареях примерно на 30 %. Данное направление исследований, проводимое совместно с группой из Фрайбурга и Новосибирска, направлено на экспериментальное исследование процесса Деления Синглетного Экситона (ДСЭ) в Ван дер Ваальсовых димерах полиаценов (тетрацен и др.) с целью идентификации природы участвующих электронных состояний димера и последовательности элементарных стадий, определяющих механизм ДСЭ, а также измерения динамики процесса ДСЭ. Мы намерены исследовать как свободные димеры в условиях молекулярного пучка, так и димеры, изолированные в гелиевых нанокаплях. Использование возможностей изоляции димеров в нанокаплях сверхтекучего гелия при очень низкой температуре (0.4 К) позволяет ожидать радикального упрощения спектра поглощения димеров, что будет использовано для идентификации природы электронного состояния димера, определяемого как синглетный экситон. Это также позволит «изолировать» интермедиаты, возникающие в процессе ДСЭ на первой, так называемой «темной» (dark) стадии, и идентифицировать их с помощью фотоэлектронной спектроскопии. Измерение карт скоростей молекул полиаценов, образующихся после возбуждения димеров выше порога ДСЭ, должно позволить определить квантовый выход процесса ДСЭ и определить вклад состояния с переносом заряда в синглетном экситоне, что важно для проверки имеющихся представлений о механизме ДСЭ. Также планируется с использованием двухимпульсной фемтосекундной техники «возбуждение-зондирование» (pump-probe) измерить динамику последовательности элементарных стадий процесса ДСЭ в димерах как в условиях гелиевой нанокапли, так и в свободных димерах в молекулярном пучке. Имеющийся опыт совместной работы наших исследовательских групп дает основания надеяться на их успешную кооперацию в этом проекте.