J. Phys. France 39, 257-271 (1978)
DOI: 10.1051/jphys:01978003903025700

Magnetic field dependence of singlet exciton fission and fluorescence in crystalline tetracene at 300 K

H. Bouchriha, V. Ern, J.L. Fave, C. Guthmann et M. Schott

Groupe de Physique des Solides de 1'E.N.S. , Université Paris V, Tour 23, 2, place Jussieu, 75221 Paris Cedex 05, France

Abstract
The magnetic field dependence of singlet exciton fission and fluorescence was studied at 300 K in tetracene crystals in several crystal planes for different field intensities and orientations. The positions of the resonances at high field correspond to those predicted by the zero-field splitting tensor as obtained by EPR, indicating that the outcome of the singlet fission is a pair of free migrating triplet excitons. It is shown that the field dependence and the resonance lineshapes can only be fitted, to within the experimental error, with the kinematic theory of Suna assuming a nearly two-dimensional motion of triplet excitons, restricted to the (a'b) plane. With the assumption of an isotropic triplet exciton diffusion in the (a'b) plane reasonable sets of values can be deduced from the fit for the in-plane hopping rate, for the anisotropy of the diffusion, and for the nearest neighbour triplet-triplet annihilation rate. In many respects, triplet exciton dynamics in tetracene appears to be similar to that in anthracene, as expected from the calculation of the transfer matrix elements and the similarity of the crystal structures. The dependence of the effects on the exciting light intensity are also well accounted for using the usual kinetic equations for the different processes involved during the lifetime of the triplet excitons.

Résumé
L'effet d'un champ magnétique sur l'intensité de la fluorescence de monocristaux de tétracène a été étudié à 300 K dans de nombreux plans cristallins en fonction de l'orientation et pour différentes intensités du champ magnétique. Les positions des résonances à haut champ correspondent à celles qu'on prévoit à partir du tenseur de structure fine de l'exciton libre calculé ou mesuré par RPE, ce qui indique que la fission produit deux excitons triplets libres mobiles. La variation de l'effet avec l'intensité du champ, et les formes de raie des résonances, ne peuvent être expliquées que dans le cadre de la théorie cinématique de Suna en supposant un mouvement quasibidimensionnel des excitoris triplets, limité aux plans (a'b). Avec l'hypothèse d'un mouvement isotrope dans ce plan, la comparaison numérique avec l'expérience fournit des valeurs physiquement raisonnables pour les fréquences de saut du triplet dans un plan (a'b) ou entre deux tels plans, et pour la vitesse d'annihilation triplet-triplet entre excitons plus proches voisins, ainsi que pour la constante de vitesse d'annihilation bimoléculaire (macroscopique) qu'on en déduit. La dynamique des excitons triplets dans le tétracène est à beaucoup d'égards semblable à ce qu'elle est dans l'anthracène, comme les valeurs calculées des intégrales de transfert et la similitude des structures cristallines le laissaient prévoir. La variation des effets avec l'intensité lumineuse incidente est bien expliquée, dans ce cadre et avec ces paramètres, en utilisant les équations cinétiques usuelles régissant les densités d'excitons singulet et triplet.

PACS
7135 - Excitons and related phenomena.
7820L - Magnetooptical effects.
7855K - Solid organic materials.

Key words
excitons -- fluorescence -- luminescence of organic solids -- magneto optical effects -- organic compounds