Theory and calculation for the electronic coupling in excitation energy transfer

International Journal of Quantum Chemistry

Volumn 114, Issue 2, 2014, Pages 102-115

  You, Zhi Qiang ^a   Hsu, Chao Ping ^a,b  

^a INSTITUTE OF CHEMISTRY   (Taiwan)

^b NATIONAL TAIWAN UNIVERSITY   (Taiwan)

Author keywords

ab initio quantum chemistry; Dexter exchange coupling; electronic coupling; energy transfer; F rster dipole coupling

Indexed keywords

AB INITIO QUANTUM CHEMISTRY; ARTIFICIAL SYSTEMS; COMPUTATIONAL ASPECTS; COULOMB COUPLINGS; DIPOLE COUPLING; ELECTRONIC COUPLING; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; MOLECULAR DEVICE;

CALCULATIONS; EXCHANGE COUPLING; EXCITATION ENERGY; NAPHTHALENE; QUANTUM CHEMISTRY;

ENERGY TRANSFER;

EID: 84889889332     PISSN: 00207608     EISSN: 1097461X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/qua.24528     Document Type: Review

References (147)

1. A. Adronov, J. M. J. Frechet, Chem. Commun. 2000, 1701.
2. D. Holten, D. F. Bocian, J. S. Lindsey, Acc. Chem. Res. 2001, 35, 57.
3. P. Tinnefeld, M. Heilemann, M. Sauer, Chem.Phys.Chem. 2005, 6, 217.
4. M. F. García-Parajó, J. Hernando, G. S. Mosteiro, J. P. Hoogenboom, E. M. H. P. van Dijk, N. F. van Hulst, Chem.Phys.Chem. 2005, 6, 819.
5. M. A. Baldo, D. F. O'Brien, Y. You, A. Shoustikov, S. Sibley, M. E. Thompson, S. R. Forrest, Nature 1998, 395, 151.
6. M. Grätzel, J. Photochem. Photobiol. C 2003, 4, 145.
7. Y. Sun, N. C. Giebink, H. Kanno, B. Ma, M. E. Thompson, S. R. Forrest, Nature 2006, 440, 908.
8. P.- T. Chou, Y. Chi, Chem. Eur. J. 2007, 13, 380.
9. K. Müllen, U. Scherf, Eds. Organic Light Emitting Devices: Synthesis, Properties and Applications; Wiley-VCH: Weinheim, 2006.
10. H. Yersin, Ed. Highly Efficient OLEDs with Phosphorescent Materials; Wiley-VCH: Wienheim, 2008.
11. G. R. Fleming, R. van Grondelle, Curr. Opin. Struct. Biol. 1997, 7, 738.
12. R. van Grondelle, V. I. Novoderezhkin, Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 793.
13. C. König, J. Neugebauer, Chem.Phys.Chem. 2012, 13, 386.
14. N. I. Krinsky, Philos. Trans. R. Soc. Lond. Ser. B 1978, 284, 581.
15. R. J. Cogdell, H. A. Frank, Biochim. Biophys. Acta 1987, 895, 63.
16. R. J. Cogdell, T. D. Howard, R. Bittl, E. Schlodder, I. Geisenheimer, W. Lubitz, Philos. Trans. R. Soc. Lond. Ser. B 2000, 355, 1345.
17. L. Limantara, R. Fujii, J.- P. Zhang, T. Kakuno, H. Hara, A. Kawamori, T. Yagura, R. J. Cogdell, Y. Koyama, Biochemistry 1998, 37, 17469.
18. F. S. Rondonuwu, T. Taguchi, R. Fujii, K. Yokoyama, Y. Koyama, Y. Watanabe, Chem. Phys. Lett. 2004, 384, 364.
19. A. V. Ruban, R. Berera, C. Ilioaia, I. H. M. van Stokkum, J. T. M. Kennis, A. A. Pascal, H. van Amerongen, B. Robert, P. Horton, R. van Grondelle, Nature 2007, 450, 575.
20. S. Bode, C. C. Quentmeier, P.- N. Liao, N. Hafi, T. Barros, L. Wilk, F. Bittner, P. J. Walla, Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 2009, 106, 12311.
21. C. J. Weijer, Science 2003, 300, 96.
22. D. J. Stephens, V. J. Allan, Science 2003, 300, 82.
23. T. Ha, T. Enderle, D. F. Ogletree, D. S. Chemla, P. R. Selvin, S. Weiss, Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 1996, 93, 6264.
24. W. E. Moerner, D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 2003, 74, 3597.
25. A. Sautter, B. K. Kaletaş, D. G. Schmid, R. Dobrawa, M. Zimine, G. Jung, I. H. M. van Stokkum, L. De Cola, R. M. Williams, F. Würthner, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 6719.
26. Y. Kobuke, Eur. J. Inorg. Chem. 2006, 2006, 2333.
27. G. Kodis, Y. Terazono, P. A. Liddell, J. Andréasson, V. Garg, M. Hambourger, T. A. Moore, A. L. Moore, D. Gust, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1818.
28. Y. Nakamura, N. Aratani, A. Osuka, Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 831.
29. B. P. Krueger, G. D. Scholes, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 5378.
30. G. D. Scholes, I. R. Gould, R. J. Cogdell, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2543.
31. C.- P. Hsu, P. J. Walla, M. Head-Gordon, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 11016.
32. H. van Amerongen, R. van Grondelle, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 604.
33. K. E. Sapsford, L. Berti, I. L. Medintz, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 4562.
34. F. C. De Schryver, T. Vosch, M. Cotlet, M. Van der Auweraer, K. Müllen, J. Hofkens, Acc. Chem. Res. 2005, 38, 514.
35. X. Michalet, S. Weiss, M. Jäger, Chem. Rev. 2006, 106, 1785.
36. C.- P. Hsu, Z.- Q. You, H.- C. Chen, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1204.
37. H. A. Frank, A. J. Young, G. Nritton, R. J. Cogdell, Eds. The Photochemistry of Carotenoids; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, 1999.
38. N. J. Fraser, H. Hashimoto, R. J. Cogdell, Photosynth. Res. 2001, 70, 249.
39. R. Ziessel, M. Hissler, A. El-ghayoury, A. Harriman, Coord. Chem. Rev. 1998, 178-180, 1251.
40. B. Schlicke, P. Belser, L. De Cola, E. Sabbioni, V. Balzani, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 4207.
41. F. Barigelletti, L. Flamigni, M. Guardigli, A. Juris, M. Beley, S. Chodorowski-Kimmes, J.- P. Collin, J.- P. Sauvage, Inorg. Chem. 1996, 35, 136.
42. H.- C. Chen, C.- Y. Hung, K.- H. Wang, H.- L. Chen, W. S. Fann, F.- C. Chien, P. Chen, T. J. Chow, C.- P. Hsu, S.- S. Sun, Chem. Commun. 2009, 4064.
43. M. Griffiths, W. R. Sistrom, G. Cohen-Bazire, R. Y. Stanier, Nature 1955, 176, 1211.
44. D. L. Dexter, J. Chem. Phys. 1953, 21, 836.
45. R. McWeeny, Methods of Molecular Quantum Mechanics; Academic Press: New York, 1992.
46. C.- P. Hsu, G. R. Fleming, M. Head-Gordon, T. Head-Gordon, J. Chem. Phys. 2001, 114, 3065.
47. S.- I. Choi, J. Jortner, S. A. Rice, R. Silbey, J. Chem. Phys. 1964, 41, 3294.
48. G. D. Scholes, K. P. Ghiggino, J. Phys. Chem. 1994, 98, 4580.
49. R. D. Harcourt, G. D. Scholes, K. P. Ghiggino, J. Chem. Phys. 1994, 101, 10521.
50. J. Jortner, S. A. Rice, J. L. Katz, S.- I. Choi, J. Chem. Phys. 1965, 42, 309.
51. S.- T. Levy, S. Speiser, J. Chem. Phys. 1992, 96, 3585.
52. H. Nagae, T. Kakitani, T. Katoh, M. Mimuro, J. Chem. Phys. 1993, 98, 8012.
53. A. Damjanovic̈, T. Ritz, K. Schulten, Phys. Rev. E 1999, 59, 3293.
54. A. Damjanovic̈, T. Ritz, K. Schulten, Biophys. J. 2000, 79, 1695.
55. G. D. Scholes, R. D. Harcourt, K. P. Ghiggino, J. Chem. Phys. 1995, 102, 9574.
56. R. D. Harcourt, K. P. Ghiggino, G. D. Scholes, S. Speiser, J. Chem. Phys. 1996, 105, 1897.
57. R. Marcus, N. Sutin, Biochim. Biophys. Acta 1985, 811, 265.
58. V. Sidis, Adv. Chem. Phys. 1992, 82, 73.
59. C. Zener, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A 1932, 137, 696.
60. P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A 1927, 114, 243.
61. S. H. Lin, Proc. R. Soc. Lond. Ser. A 1973, 335, 51.
62. Z.- Q. You, C.- P. Hsu, J. Phys. Chem. A 2011, 115, 4092.
63. T. Förster, Ann. Phys. (Leipzig) 1948, 2, 55.
64. M. Lax, J. Chem. Phys. 1952, 20, 1752.
65. H. van Amerongen, L. Valkunas, R. van Grondelle, Photosynthetic Excitons; World Scientific Publishing Company: Singapore, 2000.
66. Z.- Q. You, C.- P. Hsu, J. Chem. Phys. 2010, 133, 074105.
67. J. E. Subotnik, J. Vura-Weis, A. J. Sodt, M. A. Ratner, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 8665.
68. T. Brixner, J. Stenger, H. M. Vaswani, M. Cho, R. E. Blankenship, G. R. Fleming, Nature 2005, 434, 625.
69. G. S. Engel, T. R. Calhoun, E. L. Read, T.- K. Ahn, T. Mancal, Y.- C. Cheng, R. E. Blankenship, G. R. Fleming, Nature 2007, 446, 782.
70. H. Lee, Y.- C. Cheng, G. R. Fleming, Science 2007, 316, 1462.
71. E. Collini, C. Y. Wong, K. E. Wilk, P. M. G. Curmi, P. Brumer, G. D. Scholes, Nature 2010, 463, 644.
72. G. Panitchayangkoon, D. V. Voronine, D. Abramavicius, J. R. Caram, N. H. C. Lewis, S. Mukamel, G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 2011, 108, 20908.
73. G. S. Schlau-Cohen, A. Ishizaki, T. R. Calhoun, N. S. Ginsberg, M. Ballottari, R. Bassi, G. R. Fleming, Nat. Chem. 2012, 4, 389.
74. E. Harel, G. S. Engel, Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 2012, 109, 706.
75. W. M. Zhang, T. Meier, V. Chernyak, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 1998, 108, 7763.
76. S. Jang, Y.- C. Cheng, D. R. Reichman, J. D. Eaves, J. Chem. Phys. 2008, 129, 101104.
77. A. Ishizaki, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 2009, 130, 234111.
78. M. E.- A. Madjet, F. Müh, T. Renger, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 12603.
79. J. D. Jackson, Classical Electrodynamics; John Wiley & Sons Inc.: Singapore, 1975.
80. G. B. Strambini, W. C. Galley, J. Chem. Phys. 1975, 63, 3467.
81. G. L. Closs, P. Piotrowiak, J. M. MacInnis, G. R. Fleming, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 2652.
82. A. H. A. Clayton, G. D. Scholes, K. P. Ghiggino, M. N. Paddon-Row, J. Phys. Chem. 1996, 100, 10912.
83. M. P. Eng, B. Albinsson, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 5626.
84. M. P. Eng, T. Ljungdahl, J. Mårtensson, B. Albinsson, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6483.
85. Z.- Q. You, C.- P. Hsu, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 2006, 124, 044506.
86. E. F. Valeev, V. Coropceanu, D. A. da Silva Filho, S. Salman, J.- L. Brédas, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9882.
87. N. Koga, K. Sameshima, K. Morokuma, J. Phys. Chem. 1993, 97, 13117.
88. Q. Wu, T. Van Voorhis, Phys. Rev. A 2005, 72, 024502.
89. S. Yeganeh, T. V. Voorhis, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 20756.
90. Y. Si, W. Liang, Y. Zhao, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 12499.
91. R. Fink, J. Pfister, A. Schneider, H. Zhao, B. Engels, Chem. Phys. 2008, 343, 353.
92. K. Sauer, R. J. Cogdell, S. M. Prince, A. Freer, N. W. Isaacs, H. Scheer, Photochem. Photobiol. 1996, 64, 564.
93. T. Pullerits, M. Chachisvilis, V. Sundström, J. Phys. Chem. 1996, 100, 10787.
94. X. Hu, T. Ritz, A. Damjanovic̈, K. Schulten, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3854.
95. J. Linnanto, J. E. I. Korppi-Tommola, V. M. Helenius, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 8739.
96. S. Tretiak, W. M. Zhang, V. Chernyak, S. Mukamel, Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 1999, 96, 13003.
97. V. Sundström, T. Pullerits, R. van Grondelle, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2327.
98. K. F. Wong, B. Bagchi, P. J. Rossky, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 5752.
99. M. E. Madjet, A. Abdurahman, T. Renger, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 17268.
100. K. J. Fujimoto, S. Hayashi, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 14152.
101. L. Yang, S. Caprasecca, B. Mennucci, S. Jang, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16911.
102. I. A. Howard, F. Zutterman, G. Deroover, D. Lamoen, C. Van Alsenoy, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 19155.
103. S. Hassoon, H. Lustig, M. B. Rubin, S. Speiser, J. Phys. Chem. 1984, 88, 6367.
104. S. Faure, C. Stern, R. Guilard, P. D. Harvey, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1253.
105. J. A. Mondal, G. Ramakrishna, A. K. Singh, H. N. Ghosh, M. Mariappan, B. G. Maiya, T. Mukherjee, D. K. Palit, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 7843.
106. S. W. Clark, J. M. Harbold, F. W. Wise, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7302.
107. D. Beljonne, C. Curutchet, G. D. Scholes, R. J. Silbey, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6583.
108. A. Setlur, J. Shiang, C. Vess, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3475.
109. R. J. Cave, M. D. Newton, Chem. Phys. Lett. 1996, 249, 15.
110. A. A. Voityuk, N. Rösch, J. Chem. Phys. 2002, 117, 5607.
111. M. Head-Gordon, A. M. Grana, D. Maurice, C. A. White, J. Phys. Chem. 1995, 99, 14261.
112. H.- C. Chen, Z.- Q. You, C.- P. Hsu, J. Chem. Phys. 2008, 129, 084708.
113. K.- L. Liu, S.- J. Lee, I.- C. Chen, C.- P. Hsu, M.- Y. Yeh, T.- Y. Luh, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 13909.
114. A. A. Voityuk, Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 7403.
115. A. A. Voityuk, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 20236.
116. C. Curutchet, A. A. Voityuk, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1820.
117. C. Curutchet, A. A. Voityuk, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 22179.
118. S. R. Yost, E. Hontz, S. Yeganeh, T. Van Voorhis, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 17369.
119. J. E. Subotnik, S. Yeganeh, R. J. Cave, M. A. Ratner, J. Chem. Phys. 2008, 129, 244101.
120. J. E. Subotnik, R. J. Cave, R. P. Steele, N. Shenvi, J. Chem. Phys. 2009, 130, 234102.
121. J. M. Foster, S. F. Boys, Rev. Mod. Phys. 1960, 32, 300.
122. C. Edmiston, K. Ruedenberg, Rev. Mod. Phys. 1963, 35, 457.
123. R. R. Chance, A. Prock, R. Silbey, J. Chem. Phys. 1975, 62, 2245.
124. R. R. Chance, A. Prock, R. Silbey, Adv. Chem. Phys. 1978, 37, 1.
125. V. M. Agranovich, M. D. Galanin, Electronic Excitation Energy Transfer in Condensed Matter; Elsevier: Amsterdam, 1982.
126. G. Juzeliũnas, D. L. Andrews, Phys. Rev. B 1994, 49, 8751.
127. D. L. Andrews, G. Juzeliũnas, J. Lumin. 1994, 60-61, 834.
128. G. D. Scholes, D. L. Andrews, J. Chem. Phys. 1997, 107, 5374.
129. M. Cho, R. J. Silbey, Chem. Phys. Lett. 1995, 242, 291.
130. M. Cho, R. J. Silbey, J. Chem. Phys. 1996, 104, 8730.
131. M. Cho, J. Chem. Phys. 1999, 110, 4998.
132. M. F. Iozzi, B. Mennucci, J. Tomasi, R. Cammi, J. Chem. Phys. 2004, 120, 7029.
133. G. D. Scholes, C. Curutchet, B. Mennucci, R. Cammi, J. Tomasi, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6978.
134. C. Curutchet, G. D. Scholes, B. Mennucci, R. Cammi, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 13253.
135. K. Pettersson, A. Kyrychenko, E. Rönnow, T. Ljungdahl, J. Mårtensson, B. Albinsson, J. Phys. Chem. A 2006, 110, 310.
136. P. W. Anderson, Phys. Rev. 1950, 79, 350.
137. H. M. McConnell, J. Chem. Phys. 1961, 35, 508.
138. A. Harriman, R. Ziessel, Photochem. Photobiol. Sci. 2010, 9, 960.
139. H. F. King, R. E. Stanton, H. Kim, R. E. Wyatt, R. G. Parr, J. Chem. Phys. 1967, 47, 1936.
140. A. Farazdel, M. Dupuis, E. Clementi, A. Aviram, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 4206.
141. L. Y. Zhang, R. A. Friesner, R. B. Murphy, J. Chem. Phys. 1997, 107, 450.
142. S. Speiser, S. Hassoon, M. B. Rubin, J. Phys. Chem. 1986, 90, 5085.
143. B. Shi, F. Gao, W. Liang, Chem. Phys. 2012, 394, 56.
144. R. L. Martin, J. Chem. Phys. 2003, 118, 4775.
145. I. Mayer, Chem. Phys. Lett. 2007, 437, 284.
146. C. A. Mead, D. G. Truhlar, J. Chem. Phys. 1982, 77, 6090.
147. S. Fatehi, E. Alguire, Y. Shao, J. E. Subotnik, J. Chem. Phys. 2011, 135, 234105.