TY - THES A1 - Hoche, Joscha T1 - The life of an exciton: From ultrafast nonradiative relaxation to high quantum yield fluorescence T1 - Das Leben eines Exzitons: Von ultraschneller nicht-radiativer Relaxation zu Fluoreszenz mit hoher Quantenausbeute N2 - This thesis focuses on understanding and predicting processes in chromophores after electronic state excitation, particularly the impact on luminescence - the spontaneous emission of light. It considers the effect of processes preceding luminescence on emission properties, which are challenging to predict, especially in complex aggregates. For example, excitation energy transfer is a crucial process in understanding luminescence, as it allows the emission to occur from different molecular units than where the absorption occurs. This can lead to significant shifts in emission wavelength and fluorescence quantum yields. The thesis offers solutions to model this process effectively, understanding the impact of excitation energy and exciton coupling disorder on energy transfer rates and linking simulated energy transfer to experimental measurements. The work further explores excimer formation - an undesired luminescence loss channel due to its significant stabilization of the electronic state. Usually, the molecules obey a stacked conformation with parallel orientation to maximize the orbital overlap. This energetic lowering of the excited state can often result in trapping of the dimer in this state due to a deep minimum on the potential energy surface. The excimer formation dynamics, structural rearrangement, and its influence on singlet-correlated triplet pair states formation, critical for the singlet-fission process, have been extensively studied. The thesis also focuses on another luminescence loss channel triggered by conical intersections between the electronic ground and the first excited states. A new model is introduced to overcome limitations in current simulation methods, considering the solvent's electrostatic and frictional effects on the barriers. The model accurately describes merocyanine dyes' solvent-dependent photoluminescence quantum yields and characterizes all relaxation channels in different BODIPY oligomer series. N2 - Im Rahmen dieser Dissertation wurden neue Ansätze und Methoden für die Simulation und Untersuchung von optischen Eigenschaften organischer Chromophore und deren supramolekularer Aggregate entwickelt. Die Motivation lag dabei darin umfassend zu verstehen, welche Prozesse nach der Anregung eines molekularen Systems stattfinden und dessen Emissionseigenschaften beeinflussen. Dabei wurde nicht nur die ultraschnelle Dynamik der elektronischen und geometrischen Relaxation innerhalb von Femto- oder Pikosekunden berücksichtigt sondern auch die radiativen und nicht-radiativen Prozesse auf der Nano- bis Mikrosekunden-Zeitskala. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich anhand dieser Prozesse und Zeitskalen in die folgenden drei Bereiche gruppieren: (A) Ultraschnelle Energietransfer- und Exzitonlokalisierungdynamik • Bei Chromophoren, die sich in einem schwachen exzitonischen Kopplungsregime befinden, konnte gezeigt werden, dass die interne Konversion von höher angeregten elektronischen Zuständen zum ersten angeregten Singulettzustand durch einen Energietransferprozess begleitet wird. Im Fall der Squarain-Triaden war es möglich, durch Simulationen die Exzitonendynamik über mehrere Untereinheiten aufzudecken. Hierbei gelang es zu zeigen, dass es während der Dynamik zu transienten Lokalisierungen und Delokalisierungen der Anregungen kommt, bis sich das Exziton in allen untersuchten Systemen innerhalb von wenigen hundert Femtosekunden auf einer der Untereinheiten lokalisiert. • Für die zwei verschiedenen BODIPY-Serien, die sich nur durch eine Ethylgruppe unterscheiden, gelang es die deutlichen Unterschiede in der Energietransferdynamik durch die Simulationen eindeutig aufzuklären. Obwohl die Absorptions- und Emissionseigenschaften beider Serien keine wesentlichen Unterschiede aufwiesen, sah man in der —-ethyl verbrückten Serie einen 35 % schnelleren Energietransfer von grünen zu roten BODIPY-Einheiten. Durch Kombination von lichtinduzierten Dynamiksimulationen mit neu entwickelten Analysemethoden gelang es, die Anregungsenergie- und Exzitonkopplungsunordnung direkt vorherzusagen. Am Beispiel der BODIPY-Serien konnte so gezeigt werden, dass die Ethylgruppe zu einer signifikanten Reduzierung dieser Unordnungen führt. Dies führt zu kleineren internen Konversionraten und verlangsamt auf diese Weise den Energietransfer. • Die zeitaufgelöste Polarisationsanisotropie-Spektroskopie (auch Fluoreszenzanisotropie-Spektroskopie genannt) ermöglicht es, die Änderung des Übergangsdipolmoments von populierten angeregten Zuständen zeitlich zu verfolgen. Hier konnte aufbauend auf lichtinduzierten Dynamiksimulationen eine Methode entwickelt werden, die die Simulation von zeitaufgelösten Polarisationsanisotropie-Spektren ermöglicht. Am Beispiel der BODIPY-Pyren-Dyade und -Triade konnten diese Spektren erfolgreich simuliert werden und dies ermöglichte es, die verschiedenen Phasen des Energietransfers präzise abzubilden. Damit bildet diese Methode für die Zukunft eine wichtige Brücke zwischen experimentellen Polarisationsanisotropie-Messungen und der theoretischen Nachverfolgung der Energietransferdynamik. B) Exzimerbildung und deren Wechselwirkung mit triplett-korrelierten Singulettzuständen (1 TT) • Da die Exzimerbildung eine wichtige Rolle als Verlustkanal bei der Emission spielt, wurde am Beispiel des Tetracen-Dimers die Dynamik dieses Prozesses simuliert. Hierbei konnte zunächst gezeigt werden, dass semi-empirische Quantenchemiemethoden eine gute Übereinstimmung mit DFT-MRCI bei der Berechnung von Potentialenergieflächen der elektronischen Zustände zeigen. Dies ermöglichte es, erstmals nicht-adiabatische Dynamik für 20 Pikosekunden in diesem System zu simulieren. Die Exzimerbildung fand hierbei in etwa 5-6 ps statt und die Hälfte der untersuchten Dimere bildete ein Exzimer. Zusätzlich war es möglich durch Diabatisierung der populierten einfach- und doppelangeregten Zustände den Charakter nach lokal-angeregten (LE), Ladungstransfer-(CT) und triplett-korrelierten Singulettzuständen (1 TT) zu klassifizieren. Auf diese Weise konnten diabatische zeitabhängige Zustandspopulationen berechnet und die Beteiligung des ( 1 TT)-Zustands an der Exzimerbildung aufgeklärt werden. Während der Exzimerbildungsdynamik konnte so eine transiente Besetzung des ( 1 TT)-Zustands für etwa 2-3 ps beobachtet werden. Allerdings wurde nach etwa 5 ps der Zustand wieder vollständig depopuliert. Gleichzeitig konnte beobachtet werden, dass starke Schwingungsanregungen der Moleküle eine wesentliche Rolle in der Exzimerbildung spielen. (C) Simulation von Photolumineszenz-Quantene Aufbauend auf Englmans & Jortners Energy-Gap-Law und der Kramers’schen Ratentheorie wurde ein neues Modell entwickelt, um interne Konversionsraten vorherzusagen. Mit diesem Modell können sowohl Polaritäts- und Viskositätseffekte des Lösungsmittels als auch die Relaxation über konische Durchschneidungen berücksichtigt werden. Hiermit war es möglich, die Relaxationsprozesse eines Merocyanin-Farbstoffs in unterschiedlichen Lösungsmitteln vollständig aufzuklären und die Raten quantitativ zu simulieren. In Kombination mit transienter Absorptionsspektroskopie konnte zudem die Photoisomerisierung verstanden werden und temperaturabhängige PLQE-Messungen konnten zeigen, dass das entwickelte Modell auch die Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten richtig vorhersagt. Auf Basis des zuvor entwickelten Modells wurden in einer großen Serie von BODIPY-Oligomeren, mit insgesamt mehr als 25 verschiedenen molekularen Systemen, die Relaxationsprozesse untersucht. Dafür wurden hierbei auch die Intersystem-Crossing-Übergänge und der reduktive Photoelektronentransfer berücksichtigt und es gelang für alle acht verschiedenen Grundeinheiten den dominanten Relaxationskanal aufzuklären. Jedoch wurden nicht nur die dominanten Kanäle identifiziert, sondern auch die Skalierungsrelation der Raten in Abhän nigkeit der Zahl der Monomereinheiten. Dabei wächst die radiative und die intersystem Crossing Rate mit der Zahl der Monomere an. Die Rate für die Relaxation über eine konische Durchschneidung hingegen ist nahezu konstant. Der Teil der internen Konversionrate, der sich in harmonischer Näherung beschreiben lässt, zeigt wiederum einen starken Abfall mit zunehmender Anzahl an Monomeren. Dies ist insbesondere bei J-Aggregaten nicht offensichtlich, da eine Erhöhung der Rate durch die Absenkung der Anregungsenergie erwartbar wäre. Jedoch führt die Oligomerisierung zu einer Abnahme der Huang-Rhys Faktoren, die hierbei stark überwiegt. Diese Ergebnisse haben experimentelle Untersuchungen angestoßen, in denen durch gezielte Oligomerisierung die PLQE von 7 % auf über 80 % erhöht werden konnte. Insgesamt wurden in dieser Dissertation neue Ansätze und Methoden für die Simulation von optischen Eigenschaften in organischen Systemen eingeführt und angewandt. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass es mit diesen Methoden zum einen möglich ist die ultraschnelle Relaxationsdynamik nach der Anregung zu beschreiben. Hierbei konnte sowohl die Exzitonendynamik und der Energietransfer zwischen Chromophoreinheiten als auch die Exzimerbildung explizit simuliert werden. Zum anderen gelang es die radiativen und nicht-radiativen Prozesse in verschiedenen Fluorophoren zu identifizieren und deren Raten quantitativ zu beschreiben. Damit stellen diese Ergebnisse eine wichtige Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien für die organische Elektronik, wie zum Beispiel organische Leuchtdioden, Photovoltaik oder tragbare Technologien, dar. KW - Theoretische Chemie KW - Computational Chemistry KW - Theoretical Chemistry KW - nonradiative Relaxation KW - nonadiabatic Dynamics KW - Conical Intersections Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-316844 ER - TY - JOUR A1 - Hoche, Joscha A1 - Flock, Marco A1 - Miao, Xincheng A1 - Philipp, Luca Nils A1 - Wenzel, Michael A1 - Fischer, Ingo A1 - Mitric, Roland T1 - Excimer formation dynamics in the isolated tetracene dimer JF - Chemical Science N2 - The understanding of excimer formation and its interplay with the singlet-correlated triplet pair state \(^{1}\)(TT) is of high significance for the development of efficient organic electronics. Here, we study the photoinduced dynamics of the tetracene dimer in the gas phase by time-resolved photoionisation and photoion imaging experiments as well as nonadiabatic dynamics simulations in order to obtain mechanistic insight into the excimer formation dynamics. The experiments are performed using a picosecond laser system for excitation into the S\(_{2}\) state and reveal a biexponential time dependence. The time constants, obtained as a function of excess energy, lie in the range between ≈10 ps and 100 ps and are assigned to the relaxation of the excimer on the S\(_{1}\) surface and to its deactivation to the ground state. Simulations of the quantum-classical photodynamics are carried out in the frame of the semi-empirical CISD and TD-lc-DFTB methods. Both theoretical approaches reveal a dominating relaxation pathway that is characterised by the formation of a perfectly stacked excimer. TD-lc-DFTB simulations have also uncovered a second relaxation channel into a less stable dimer conformation in the S\(_{1}\) state. Both methods have consistently shown that the electronic and geometric relaxation to the excimer state is completed in less than 10 ps. The inclusion of doubly excited states in the CISD dynamics and their diabatisation further allowed to observe a transient population of the \(^{1}\)(TT) state, which, however, gets depopulated on a timescale of 8 ps, leading finally to the trapping in the excimer minimum. KW - excimer formation KW - tetracene dimer KW - organic electronics Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251559 VL - 12 IS - 36 SP - 11965 EP - 11975 ER - TY - INPR A1 - Humeniuk, Alexander A1 - Bužančić, Margarita A1 - Hoche, Joscha A1 - Cerezo, Javier A1 - Mitric, Roland A1 - Santoro, Fabrizio A1 - Bonačić-Koutecky, Vlasta T1 - Predicting fluorescence quantum yields for molecules in solution: A critical assessment of the harmonic approximation and the choice of the lineshape function T2 - The Journal of Chemical Physics N2 - For the rational design of new fluorophores, reliable predictions of fluorescence quantum yields from first principles would be of great help. However, efficient computational approaches for predicting transition rates usually assume that the vibrational structure is harmonic. While the harmonic approximation has been used successfully to predict vibrationally resolved spectra and radiative rates, its reliability for non-radiative rates is much more questionable. Since non-adiabatic transitions convert large amounts of electronic energy into vibrational energy, the highly excited final vibrational states deviate greatly from harmonic oscillator eigenfunctions. We employ a time-dependent formalism to compute radiative and non-radiative rates for transitions and study the dependence on model parameters. For several coumarin dyes we compare different adiabatic and vertical harmonic models (AS, ASF, AH, VG, VGF, VH), in order to dissect the importance of displacements, frequency changes and Duschinsky rotations. In addition we analyze the effect of different broadening functions (Gaussian, Lorentzian or Voigt). Moreover, to assess the qualitative influence of anharmonicity on the internal conversion rate, we develop a simplified anharmonic model. We adress the reliability of these models considering the potential errors introduced by the harmonic approximation and the phenomenological width of the broadening function. KW - fluorescence quantum yield Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199305 UR - https://doi.org/10.1063/1.5143212 N1 - Accepted Manuscript. N1 - This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and AIP Publishing. This article appeared in A. Humeniuk et al. J. Chem. Phys. 152, 054107 (2020); https://doi.org/10.1063/1.5143212 and may be found at https://doi.org/10.1063/1.5143212. ER - TY - INPR A1 - Auerhammer, Nina A1 - Schulz, Alexander A1 - Schmiedel, Alexander A1 - Holzapfel, Marco A1 - Hoche, Joscha A1 - Röhr, Merle I. S. A1 - Mitric, Roland A1 - Lambert, Christoph T1 - Dynamic exciton localisation in a pyrene-BODIPY-pyrene dye conjugate T2 - Physical Chemistry Chemical Physics N2 - The photophysics of a molecular triad consisting of a BODIPY dye and two pyrene chromophores attached in 2-position are investigated by steady state and fs-time resolved transient absorption spectroscopy as well as by field induced surface hopping (FISH) simulations. While the steady state measurements indicate moderate chromophore interactions within the triad, the time resolved measurements show upon pyrene excitation a delocalised excited state which localises onto the BODIPY chromophore with a time constant of 0.12 ps. This could either be interpreted as an internal conversion process within the excitonically coupled chromophores or as an energy transfer from the pyrenes to the BODIPY dye. The analysis of FISH-trajectories reveals an oscillatory behaviour where the excitation hops between the pyrene units and the BODIPY dye several times until finally they become localised on the BODIPY chromophore within 100 fs. This is accompanied by an ultrafast nonradiative relaxation within the excitonic manifold mediated by the nonadiabatic coupling. Averaging over an ensemble of trajectories allowed us to simulate the electronic state population dynamics and determine the time constants for the nonradiative transitions that mediate the ultrafast energy transfer and exciton localisation on BODIPY. KW - Exciton localization dynamics Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-198718 UR - https://doi.org/10.1039/C9CP00908F N1 - Accepted manuscript ER - TY - JOUR A1 - Hoche, Joscha A1 - Schulz, Alexander A1 - Dietrich, Lysanne Monika A1 - Humeniuk, Alexander A1 - Stolte, Matthias A1 - Schmidt, David A1 - Brixner, Tobias A1 - Würthner, Frank A1 - Mitric, Roland T1 - The origin of the solvent dependence of fluorescence quantum yields in dipolar merocyanine dyes JF - Chemical Science N2 - Fluorophores with high quantum yields are desired for a variety of applications. Optimization of promising chromophores requires an understanding of the non-radiative decay channels that compete with the emission of photons. We synthesized a new derivative of the famous laser dye 4-dicyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran (DCM),i.e., merocyanine 4-(dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-[3-(3-butyl-benzothiazol-2-ylidene)1-propenyl]-4H-pyran (DCBT). We measured fluorescence lifetimes and quantum yields in a variety of solvents and found a trend opposite to the energy gap law.This motivated a theoretical investigation into the possible non-radiative decay channels. We propose that a barrier to a conical intersection exists that is very sensitive to the solvent polarity. The conical intersection is characterized by a twisted geometry which allows a subsequent photoisomerization. Transient absorption measurements confirmed the formation of a photoisomer in unpolar solvents, while the measurements of fluorescence quantum yields at low temperature demonstrated the existence of an activation energy barrier. KW - solvent-dependent fluorescence yield Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-198707 UR - https://doi.org/10.1039/C9SC05012D VL - 10 ER - TY - INPR A1 - Hoche, Joscha A1 - Schmitt, Hans-Christian A1 - Humeniuk, Alexander A1 - Fischer, Ingo A1 - Mitrić, Roland A1 - Röhr, Merle I. S. T1 - The mechanism of excimer formation: an experimental and theoretical study on the pyrene dimer T2 - Physical Chemistry Chemical Physics N2 - The understanding of excimer formation in organic materials is of fundamental importance, since excimers profoundly influence their functional performance in applications such as light-harvesting, photovoltaics or organic electronics. We present a joint experimental and theoretical study of the ultrafast dynamics of excimer formation in the pyrene dimer in a supersonic jet, which is the archetype of an excimer forming system. We perform simulations of the nonadiabatic photodynamics in the frame of TDDFT that reveal two distinct excimer formation pathways in the gas-phase dimer. The first pathway involves local excited state relaxation close to the initial Franck–Condon geometry that is characterized by a strong excitation of the stacking coordinate exhibiting damped oscillations with a period of 350 fs that persist for several picoseconds. The second excimer forming pathway involves large amplitude oscillations along the parallel shift coordinate with a period of ≈900 fs that after intramolecular vibrational energy redistribution leads to the formation of a perfectly stacked dimer. The electronic relaxation within the excitonic manifold is mediated by the presence of intermolecular conical intersections formed between fully delocalized excitonic states. Such conical intersections may generally arise in stacked π-conjugated aggregates due to the interplay between the long-range and short-range electronic coupling. The simulations are supported by picosecond photoionization experiments in a supersonic jet that provide a time-constant for the excimer formation of around 6–7 ps, in good agreement with theory. Finally, in order to explore how the crystal environment influences the excimer formation dynamics we perform large scale QM/MM nonadiabatic dynamics simulations on a pyrene crystal in the framework of the long-range corrected tight-binding TDDFT. In contrast to the isolated dimer, the excimer formation in the crystal follows a single reaction pathway in which the initially excited parallel slip motion is strongly damped by the interaction with the surrounding molecules leading to the slow excimer stabilization on a picosecond time scale. KW - exciton dynamics KW - pyrene dimer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159656 UR - http://dx.doi.org/10.1039/C7CP03990E N1 - Submitted version ER - TY - JOUR A1 - Hoche, Joscha A1 - Schmitt, Hans-Christian A1 - Humeniuk, Alexander A1 - Fischer, Ingo A1 - Mitrić, Roland A1 - Röhr, Merle I. S. T1 - The mechanism of excimer formation: an experimental and theoretical study on the pyrene dimer JF - Physical Chemistry Chemical Physics N2 - The understanding of excimer formation in organic materials is of fundamental importance, since excimers profoundly influence their functional performance in applications such as light-harvesting, photovoltaics or organic electronics. We present a joint experimental and theoretical study of the ultrafast dynamics of excimer formation in the pyrene dimer in a supersonic jet, which is the archetype of an excimer forming system. We perform simulations of the nonadiabatic photodynamics in the frame of TDDFT that reveal two distinct excimer formation pathways in the gas-phase dimer. The first pathway involves local excited state relaxation close to the initial Franck–Condon geometry that is characterized by a strong excitation of the stacking coordinate exhibiting damped oscillations with a period of 350 fs that persist for several picoseconds. The second excimer forming pathway involves large amplitude oscillations along the parallel shift coordinate with a period of ≈900 fs that after intramolecular vibrational energy redistribution leads to the formation of a perfectly stacked dimer. The electronic relaxation within the excitonic manifold is mediated by the presence of intermolecular conical intersections formed between fully delocalized excitonic states. Such conical intersections may generally arise in stacked π-conjugated aggregates due to the interplay between the long-range and short-range electronic coupling. The simulations are supported by picosecond photoionization experiments in a supersonic jet that provide a time-constant for the excimer formation of around 6–7 ps, in good agreement with theory. Finally, in order to explore how the crystal environment influences the excimer formation dynamics we perform large scale QM/MM nonadiabatic dynamics simulations on a pyrene crystal in the framework of the long-range corrected tight-binding TDDFT. In contrast to the isolated dimer, the excimer formation in the crystal follows a single reaction pathway in which the initially excited parallel slip motion is strongly damped by the interaction with the surrounding molecules leading to the slow excimer stabilization on a picosecond time scale. KW - exciton dynamics KW - pyrene dimer Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159514 UR - http://dx.doi.org/10.1039/C7CP03990E N1 - Accepted version VL - 19 IS - 36 ER -