Role of Spin-Orbit Coupling - American Chemical Society

2 L. N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan. 3 National University of Science and Technology MISIS, 4 Leninskiy pr., Moscow 1190...
0 downloads 0 Views 2MB Size
Subscriber access provided by UNIV TEXAS SW MEDICAL CENTER

C: Physical Processes in Nanomaterials and Nanostructures 2+

3

Spinor Dynamics in Pristine and Mn Doped CsPbBr NC: Role of Spin-Orbit Coupling in Ground and Excited State Dynamics Aaron Forde, Talgat M Inerbaev, and Dmitri S. Kilin J. Phys. Chem. C, Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b05392 • Publication Date (Web): 10 Oct 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on October 10, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

1   

Spinor Dynamics in Pristine and Mn2+ Doped CsPbBr3 NC: Role of Spin-Orbit Coupling in Ground and Excited State Dynamics Aaron Forde1, Talgat Inerbaev2,3, Dmitri Kilin4* 1

Department of Materials Science and Nanotechnology, North Dakota State University, Fargo, North Dakota 58102, United States 2

L. N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan

3

National University of Science and Technology MISIS, 4 Leninskiy pr., Moscow 119049, Russian Federation 4

Department of Chemistry and Biochemistry, North Dakota State University, Fargo, North Dakota 58102, United States *Corresponding Author: [email protected]  ABSTRACT 

Fully inorganic lead halide perovskite nanocrystals (NCs) are of interest for optoelectronic and light  emitting devices due to their photoluminescence (PL) emission properties which can be  tuned/optimized by (I) surface passivation and (II) doping. (I) Surface passivation of the NC affects PL  capabilities, as an under‐passivated surface can introduce trap states which reduces PL quantum yields  (QY). (II) Doping NCs and quantum dots (QDs) with transition metal ions provides stable optical  transitions. Doping perovskite NCs with Mn2+ ions provides high intensity 4T1  6A1 optical transitions in  addition to the bright, intrinsic NC emission. Here we use noncollinear Density Functional Theory (DFT)  to investigate the roles of surface passivation and doping on PL emission stability of perovskite NCs. Two  models are investigated: (i) a pristine NC and (ii) a NC doped with Mn2+ ion. The noncollinear DFT  includes spin‐orbit coupling (SOC) between different spin‐states and produces spin‐adiabatic molecular  orbitals. These orbitals are used to calculate the transition dipoles between electronic states, oscillator  strengths, radiative transition rates, and emission spectra. It was found that non‐collinear spin basis with  spin‐orbit coupling slows down hole relaxation in the doped NC by two orders of magnitude compared  to spin‐polarized basis. This is attributed to ‘spin‐flip’ transition from the perovskite NC to the Mn2+  dopant and low‐probability non‐radiative d‐d transition.         

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 55

2      I. INTRODUCTION  All inorganic CsPbX3 (X=Cl, Br, I) lead halide perovskite nanocrystals (NCs) have gained  considerable attention within many research communities after the first report of a facile colloidal  synthesis in 20151, which showed 50% to 90% photo‐luminescence quantum yields (PLQY) with the  ability to tune the PL emission across the visible spectrum by halide substitution. These materials have  shown a wide range of properties which are of interest for commercial devices, such as solid state LEDs2‐ , as components in photovoltaics to improve efficiencies5‐6, and lasing7. These applications all depend 

4

on stable PL from the perovskite NC’s, which has shown to be the main challenge that currently limits  the commercial implementation.    PL is the result of a multi‐step excited‐state process. Under low fluence intensities, there are  two main pathways for photo‐excited electrons and photo‐induced holes to recombine: radiative and  non‐radiative. Surface trap states act as a ‘heat sink’ were energy that could be used to generate PL is  instead transferred to the dark trap state and is converted to a phonon. This means any non‐radiative  recombination channels present will reduce PLQY= 

. Under high fluence, there are multi‐

particle interactions, such as Auger recombination and multi‐exciton generation, which will compete  with the previously mentioned recombination pathways as well.    From a structure to property perspective, PL instability in perovskite NCs can arise from two  sources: incomplete passivation of the perovskite NC creating surface trap states 8 9 and intrinsic phase  instability of the lattice turning the bright cubic phase into a dark orthorhombic 1 10. In this manuscript 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

3    we focus on the issue of surface trap states and ways to mitigate their effect. Within the literature there  are a variety of experimental synthetic methods used to improve surface passivation of CsPbX3 NCs,  which include core‐shelling, polymer and silica coatings, post‐synthetic thiol treatment 11, zwitterions 12.    An alternative method used to improve PL stability of perovskite NCs is through doping  perovskite NCs with transition metal ions, such as Mn2+. Doping with transition metal ions has been a  long‐held strategy to modulate physical and electronic properties of semiconductor QDs and NCs 13 14.  Motivation for this strategy lies in the fact that PL from the dopant would primarily depend on the  ligand/crystal field surrounding it and with PLQY being independent of shallow surface trap states. For  Mn2+ doped CsPb1‐x MnxCl3  and CsPb1‐x MnxBr3 NCs it has been reported they exhibit dual emission from  the intrinsic NC bandgap and the Mn2+ 4T1  6A1 transition (~600 nm) with high quantum yields while  CsPb1‐x MnxI3 only shows NC emission 15 16. Trends observed in dual emission Mn2+ doped NCs has been  attributed to an interplay between kinetics of excited‐state non‐radiative relaxation and relative band  alignment of dopant Mn2+ 3d and perovskite NC states15, 17‐19.    ab Initio computations can provide an atomistic description of trends observed in in pristine and  doped perovskite QDs. Ground state electronic structure calculations for pristine NCs can give insight  into how passivation ligands interact with the NC surface and its influence on optical properties. For  doped NCs, geometry optimization can provide knowledge on the configuration of halides surrounding  the Mn2+ dopant which will greatly influence 3d orbital splitting 20. Quantum dynamics simulations can  provide insight into non‐radiative and radiative relaxation pathways that charges follow in these  materials. Quantum dynamics simulations has shown to be a powerful tool to understand the role  excited‐state processes in perovskite materials exceptional properties 21 22 23 24 25. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 55

4    Computationally modeling ground‐state electronic structure and optical properties of pristine  and doped QDs/NCs has shown to be a challenging task. (1)  typical colloidal perovskite NCs are on the  scale of 10 nm and have simultaneous cationic and anionic surface passivation ligands, which would be  computationally demanding to explicitly model. (2) for all APbX3 perovskites it is known that the LUMO  is composed of Pb2+ 6p orbitals which requires non‐collinear spin basis26 with spin‐orbit coupling (SOC)  for accurate electronic structure (3) any dopant within a QD/NC that experiences weak ligand field  splitting will require spin‐flip transition to emit, which is dipole‐forbidden and requires SOC to facilitate  the optical transition. (4) within the quantum confinement size regime, e‐ ‐ e‐ correlation needs explicit  treatment for accurate bandgaps. Accounting for all of these constraints on a single model, at the  moment, is computationally unfeasible. Thus, approximations have to be made for each case study to  model a specific observable.    Examples of this include the following: Size dependent ground‐state electronic structure for un‐ passivated CsPbBr3 NCs has been investigated with the incorporation of SOC and hybrid functionals to  determine origin of size‐dependent Stokes shift 27. Mn2+ doped CdSe has been investigated using DFT,  TDDFT, and CIS methods to show band alignment of the NC/QD relative to the dopant influences PL  properties 28. Role of passivation ligands on equilibrium geometry and optical properties of magic sized  CdSe clusters29. Modeling optical transitions  in Mn2+ doped ZnO QDs 30.    To computationally model excited‐state processes, such as non‐radiative relaxation and PL, it is required  to use methodology that goes beyond Born‐Oppenheimer approximation (BOA). BOA separates nuclear  and electron degrees of freedom and does not allow for energy‐flow between them. However, broad  range of processes in excited states are related to energy being transferred from electronic degrees of 

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

5    freedom into nuclear degrees of freedom, giving raise to nonradiative relaxation, cooling, and  recombination of charge carriers. These aspects of the excited‐state dynamics are often described in  two practical steps: (a) assessing of electron‐to‐nuclear non‐adiabatic couplings31  (NACs) computed  “on‐the‐fly” or by displacements along normal modes, (b) phonon‐assisted dynamics of electronic  states, described with NACs, by surface hopping 32 or multi‐level density matrix methods in Redfield  formalism 33‐34. Currently, non‐collinear spin calculations are on the way to be implemented into  commercial software for excited state dynamics, yet in progress 35. Thus, to compute NACs with SOC a  homesuite of codes have to been developed 36. The non‐collinear spin approach refers to use basis of  spinor orbitals.  The transitions between adiabatic states are determined by two factors: vibronic  couplings between states and energy subgaps between corresponding states. SOC creates additional  non‐radiative relaxation pathways by mixing spin states which would otherwise be orthogonal. This  should allow for quicker non‐radiative relaxation as it effectively increases the DOS. For APbX3  perovskites in general, there is a giant SOC effect in conduction band edge which splits the J=1/2 and  J=3/2 angular momentum states of Pb‐6p with the resulting energy splitting being greater than thermal  energy 𝑘𝑇 ~ 26 𝑚𝑒𝑉 57. It would be expected that with the larger energy splitting the rates of non‐ radiative relaxation near the band edge would be slower than if SOC was not accounted for. New  additions to the code enable the discussion of whether the additional relaxation pathways and energy  sub‐gaps in conduction band has an important role in non‐radiative relaxation.    In this manuscript we explore ground state electronic structure, molecular dynamics, and  excited‐state electron dynamics of a fully passivated pristine CsPbBr3 QD and Mn2+ doped CsPb1‐x MnxBr3  QD using spin‐restricted (SR), spin‐polarized (SP), and SOC enabled NCS DFT with GGA functional. We  use suite codes to compute NACs and oscillator strengths using each methodology, allowing us to 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 55

6    quantify the impact of SOC on non‐radiative and radiative relaxation in both systems. Specifically, NACs  computed with SOC NCS DFT allows for radiative and non‐radiative spin‐flip transitions. Spin‐flip  transitions can be characterized by tracking the magnetization vector magnitude during the excited‐ state relaxation.    The details of our manuscript are as follows: (i) ground state electronic structure and optical  properties of a pristine CsPbBr3 QD and a Mn2+ doped CsPbBr3 QD, with both having their surface  terminated by ethylammonium (EA) and anionic acetate (AC) ligands (ii) molecular dynamics simulation  exploring the surface ligand dynamics of the intrinsic QD and ligand field dynamics in the doped QD. (iii)  excited‐state dynamics in density matrix formalism to characterize non‐radiative relaxation of excited‐ states in both pristine and doped QD (iv) time‐resolved and time‐integrated emission for both the  pristine and doped QD.    II. METHODS  This section starts with basic definitions for consistency of notations. For theory, we will describe  relevant equations and observables in SP KSO basis first then followed by NCS SKSO basis. We placed  description of spin‐restricted methodology into SI and provide references to previous work. Rational for  how we constructed atomistic models is also provided. The rest of the section is outlined as follows:  (1.a) ground state electronic structure calculations using SP DFT and SOC enabled NCS DFT (1.b) SP and  SOC NCS observables (1.c) ab initio molecular dynamics (1.d) non‐radiative relaxation of excited‐states  1.e) radiative relaxation of excited‐states. (2.a) Atomistic construction of pristine and doped QD 2.b)  computational details. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

7      II.1.a Ground State Electronic Structure: Spin‐Polarized and NCS DFT  SP calculations are needed due to the presence of Mn2+ within an octahedral Br‐  ligand field of  the perovskite QD. The halide ligand field provides an electrostatic potential that determines the most  favorable spin configuration of the valent Mn2+ 3d electrons. Also, SP calculations are far more cost‐ efficient for coarse‐grained geometry‐optimization than NCS calculations. SOC enabled NCS calculations  are needed to complement SP for two reasons: 1) it is well known in the literature that the conduction  band edge of pristine APbX3 perovskites are composted of Pb2+ 6p orbitals which experience strong  energy splitting of degenerate angular momentum and spin states37. 2) In the literature it is proposed  that the ~600nm emission in doped CsPb1‐x MnxBr3  QDs is due to a spin‐flip 4T1  6A1 optical transition15,  17

. In a SP basis, spin is a good quantum number and is conserved for dipole allowed optical transitions. 

In contrast, when working in the SKSO basis total angular momentum 𝐽⃗

𝑆⃗ is the conserved 

𝐿⃗

quantity and allows for changes in spin during excited‐state dynamics, such as the dipole‐forbidden  triplet‐singlet optical transition or non‐radiative spin‐flip relaxation.  Here we introduce the basic equations and quantities of SP and NCS DFT calculations needed to  define relevant observables and keep consistent notations.  ∑

,

,

𝛻

𝛿

𝑣

For equations (1)‐(2), 𝛿 𝑣

𝑟⃗ 𝜑

𝑣

𝑟⃗  = 

𝑟⃗

𝜀,

𝑣

𝑟⃗

𝑣

𝑟⃗

𝑣

𝑟⃗

𝑣

𝑟⃗

𝜑

𝑟⃗    

    

 

 

 

 

 

 is the Kroenecker‐delta function, 𝜎 and 𝜎 define spin projections 𝛼 or 𝛽, 

r⃗  is the spin‐dependent external potential, and 𝜑

𝑟⃗ is a spin‐dependent KSO. For SP DFT, 

ACS Paragon Plus Environment

(1) 

  (2) 

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 8 of 55

8    𝜎′ i.e. v

equations (1)‐(2) have non‐zero components when 𝜎

r⃗

r⃗

 v

0 26. Self‐consistent 

DFT electronic structure calculations with spin‐dependent external potentials 

𝑟⃗  = 

𝑣

provide SP KSOs 𝜑 , 𝑟⃑  with energy 𝜀 ,  with 𝜎

r⃗

v

0

0

v

         

r⃗

 

 

 

 (3) 

𝛼 or 𝛽 defining orthogonal spin‐projections. SP KSOs 

obey the orthogonality relation and normalization, equation 4  𝑑𝑟⃗𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝜑 𝑁

Spin polarization parameter Δ𝑁↑↓ of the magnetization vector |M|⃗

𝑟⃑

𝛿 𝛿

      

 

 

 

(4) 

𝑁 defines the spin multiplicity S = Δ𝑁↑↓ /2 and the magnitude 

Δ𝑁↑↓ . It is noted that in a SP basis the magnetization vector 

magnitude is constant during excited‐state dynamics i.e. spin is conserved. For NCS DFT, equations (1)‐ (2) are not constrained by spin‐orthogonality allowing for non‐zero off‐diagonal effective potentials.  These off‐diagonal elements produce a set of equations that couple the spin states 𝛼 and 𝛽. The  solution to the set of NCS DFT equations is represented as a superposition of spin‐ 𝛼 and spin‐ 𝛽 states  |𝛼⟩

1  and |𝛽⟩ 0

0  with spatially dependent coefficents 𝜑 1

𝑟⃗  and 𝜑

𝑟⃗ . These solutions are 

commonly referred to as spinor KSOs (SKSOs) shown in equation (5). 

𝜑

𝜑 𝜑

𝑟⃗

𝑟⃗  =𝜑 𝑟⃗

𝑟⃗ |𝛼⟩

𝜑

𝑟⃗ |𝛽⟩               

 

      (5) 

SKSOs obey the normalization, equation (6), and orthogonality, equation (7)  ∗ 𝑑𝑟⃗ 𝜑

𝜑∗

𝜑 𝜑

 = 𝑑𝑟⃗ 𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝜑

𝑑𝑟⃗ 𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝜑

𝑟⃑

𝑟⃑

𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝜑

ACS Paragon Plus Environment

𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝜑

𝑟⃑

𝑟⃑

1         

𝛿                     

 (6) 

       (7) 

Page 9 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

9    Within the NCS DFT framework, relativistic effects can be incorporated using 2nd order scalar relativistic  corrections.  𝐻

𝐻

𝐻

               

 

 

             (8) 

The relativistic Hamiltonian from equation (8) is composed of two terms: 𝐻  is the scalar relativistic  term and 𝐻 𝐻

 is the SOC term. The 𝐻  term describes relativistic kinetic energy corrections and 

describes energy shifts of spin occupations. Up to second‐order 𝐻 ℏ

𝐻

 can be represented as 

𝐿⃗∙𝑆⃗                 

 

 

 

 (9) 

where 𝐿⃗ is the angular momentum operator and  𝑆⃗ is composed of Pauli spin matrices σ , σ , σ .  Magnetization vector M⃗ ρ ρ  ρ . f

,

r⃗ r⃗

ρ ρ

(r⃑

 ∑

M , M , M    in NCS DFT is constructed from SKSO density matrix  ρ

(r⃑  = 

r⃗ . Components within the density matrix are found from  r⃗

,

f

φ

r⃑ φ

r⃑  

 is the occupation number of the ith SKSO and takes values between 0 and 1. Magnetization density 

projections   m r⃗  are found from expectation values of corresponding Pauli matrices  σ , i=x,y,z, shown  in equations (10a)‐(10e)38.  ρ

r⃗

m r⃗

m r⃗

m r⃗

Tr ρ μ Tr ρ

r⃑



r⃑

ρ

r⃑     

r⃑ σ =μ

ρ

r⃑

ρ

iμ Tr ρ

μ Tr ρ

r⃑ σ

r⃑ σ



μ

ρ

ρ

r⃑

ACS Paragon Plus Environment

 

 

 

 (10a) 

r⃑    

 

 

(10b) 

r⃑  

 

(10c) 

 

 

(10d) 

r⃑

ρ

ρ

r⃑

 

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 55

10    M

dr m r⃗ , M

dr m r⃗ , M

dr m r⃗        

 

  (10e) 

 

   (11a) 

  II.1.b Ground State Observables: SP and NCS DFT  Density of states (DOS) is computed for both 𝜎

∑, δ ε

ε

DOS

𝛼 or 𝛽 spin projections.  ε ,          

 

 

The Dirac delta function is approximated as a Gaussian distribution to provide thermal broadening. For  visualization purposes β‐dependent DOS are multiplied by ‐1. The same procedure is used to compute  density of states for SKSOs  ∑ 𝛿 𝜀

𝐷𝑂𝑆

𝜀

        

 

 

SP KSOs found from DFT can be used to find transition dipole matrix elements   𝐷⃗ 𝑒 𝜑,

𝑟⃑ | 𝑟⃗ |𝜑

,

      (11b) 

,

𝑟⃑  where 𝑒 is the charge of an electron and 𝑟⃗ is the position operator. We work 

under the independent orbital approximation (IOA) were excited‐states are described as a pair of  orbitals, as opposed to a superposition of orbitals commonly used in TDDFT or Bethe‐Saltpeter  approaches. IOA is applicable for systems with weak confinement and negligible e‐ ‐ e‐ correlation. With  the transition dipole matrix elements we can find oscillator strengths for transitions between KS orbital i  and j with spin σ, equation (12a), and compute optical spectra, equation (12b)  𝑓 𝛼 𝜔

𝐷⃗

,



,

𝑓

,

,



,

𝛿 𝜀

Δ𝜀

             

,

 

ACS Paragon Plus Environment

   

   

   

     (12a)   

(12b) 

Page 11 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

11    SKSO transition dipole matrix elements are found in a similar manner as SP elements, but with SKSO  elements being composed as a superposition of spin‐ 𝛼 and spin‐ 𝛽 transitions, equation (13a). From  transition dipole can compute SKSO oscillator strengths (13b) and spectra (13c).  ∗ 𝑒 𝑑𝑟⃗ 𝜑

〈𝐷⃗ 〉

𝜑 𝜑 ∗ 𝑟⃗ 𝜑

𝑒 𝑑𝑟⃗ 𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝑟⃗𝜑

𝑓

𝐷⃗

𝛼

𝜀



 

∑ 𝑓 𝛿 𝜀

 

 

𝜑 ∗ 𝑟⃑ 𝑟⃗ 𝜑

𝑟⃑

   

 

𝛥𝜀

𝑟⃑

 

 

    

 

 

(13a) 

 

 

 

 

 (13b) 

    

 

 

 

 (13c) 

  II.1.b.  ab initio Adiabatic Molecular Dynamics: Spin‐Restricted and Spin‐Polarized  Molecular dynamics is used for two purposes: to generate NACs (covered in 1.c) and to observe how  ionic fluctuations affects electronic structure. Specifically, trap state formation in the pristine QD and  their influence on oscillator strengths. For adiabatic molecular dynamics, the total kinetic energy of the  system is set equal to a thermostat, equation (14a), for an initial condition and is propagated by using  Newtons equations of motion, equation (14b).  The energy of KSOs are recorded for each timestep to  observe fluctuations in time, equation (14c).  ⃗



𝑅⃗

𝜀, 𝑡

|

𝑁

𝑘 𝑇      

 

 

 

   (14a) 

𝐹⃗ /𝑀       

 

 

 

 

 

  (14b) 

𝜀,

𝑅⃗ 𝑡       

 

ACS Paragon Plus Environment

 

 

 

    (14c) 

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 12 of 55

12    To identify correlations between bond distances and SKSO computed oscillator strengths we consider  average ligand‐surface bond distances in the pristine QD. We compute time‐resolved radial distribution  function (RDF), equation (15a), for both models considering Pb‐O bonds for the pristine QD and Mn‐Br  bonds for the doped QD. |𝑅⃗ 𝑡

𝑅⃗ 𝑡 | corresponds to time dependent bond distance between ion I 

and J.    ∑ 𝛿 𝑟

𝑅𝐷𝐹 𝑡, 𝑟

𝑅⃗ 𝑡

𝑅⃗ 𝑡

       

 

 

  (15a) 

SKSO oscillator strengths are computed after each timestep as a function of ionic position 𝑅⃗ 𝑡 ,  equation (15b).   

〈𝐷⃗ 〉 𝑅⃗ 𝑡

𝑒 𝑑𝑟⃗ 𝜑 ∗ 𝑅⃗ 𝑡

𝜑 ∗ 𝑅⃗ 𝑡

𝑟⃗

𝜑 𝜑

𝑅⃗ 𝑡 𝑅⃗ 𝑡

      

 

   (15b) 

  II.1.c. Non‐Radiative Relaxation:  Time evolution of electronic degrees of freedom is found from solving the Liouville‐von Neumann  equation of motion  𝜌



∑ 𝐹 𝜌

𝜌 𝐹

  

 

 

(16) 

Where 𝐹 is the Fock matrix and 𝜌 is the density matrix. The first term corresponds to unitary time  evolution while the second term corresponds to dissipative transitions due to coupling of electronic and  nuclear degrees of freedom. Electronic and nuclear degrees of freedom are connected through NACs  allowing for energy dissipation from hot charge carriers to phonons. NACs can be computed using the  “on‐the‐fly” procedure along a nuclear trajectory 

ACS Paragon Plus Environment

Page 13 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

13    𝑉

𝑡

ℏ ∆

𝑑𝑟⃗ 𝜑 ∗ 𝑟⃗, 𝑅⃗ 𝑡

𝜑 ∗ 𝑟⃗, 𝑅⃗ 𝑡



𝑟⃗, 𝑅⃗ 𝑡 𝑟⃗, 𝑅⃗ 𝑡

𝜑 𝜑

Δ𝑡

ℎ. 𝑐.    (17) 

Δ𝑡

Fourier transform of the autocorrelation function, equation (18a)‐(18c), provides components for the  Redfield tensor, equation (18d).  𝜏

𝑀

𝑡

𝑉

𝜏 𝑉

𝑡 𝑑𝑡      

 

 

(18a) 

𝛤

𝑀

𝜏 𝑒

𝑑𝜏    

 

 

 

(18b) 

𝛤

𝑀

𝜏 𝑒

𝑑𝜏    

 

 

 

(18c) 

, ( 

 

(18d) 

𝛤

𝑅

𝛿 ∑ 𝛤

𝛤

𝛿 ∑ 𝛤

Redfield tensor controls dissipative dynamics of the density matrix, equation (19).  ∑

𝑅

𝜌   

 

 

 

(19) 

Along the trajectory we can compute time‐resolved observables, such as changes in charge carrier  occupation, equations (20a)‐(20b), and average charge carrier energy, equation (20c)  𝑛 ∆𝑛

,

,

〈∆𝜀 〉 𝑡

,

∑ 𝜌

𝜀, 𝑡 𝜀, 𝑡

𝑛 ∑

,

𝑡 𝛿 𝜀 𝜀, 𝑡

𝜀    𝑛

𝜌 𝑡 𝜀 𝑡     

 

 

 

(20a) 

𝜀, 𝑡     

 

 

(20b) 

 

 

 

(20c) 

To get rates of charge carrier relaxation to band edges we convert energy expectation value from  equation (20c) into a dimensionless energy, equation (21a). Assuming a single exponential decay, we fit  equation (21a) to an exponential decay and solve for rate constant 𝑘 , equation (21b).  〈𝐸 〉 𝑡

〈∆



〈∆



〈∆



〈∆



  

ACS Paragon Plus Environment

 

 

 

 

(21a) 

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 14 of 55

14    𝑘

〈𝐸 〉 𝑡 𝑑𝑡

𝜏

;𝑡

0, 𝑡

∞    

 

(21b) 

In the case of long intermediate lifetimes during relaxation to band edges, such a spin‐flip transition, we  compute rates as sums of single exponential decays, equation (22).  ∑ 𝜏

𝑘

  

 

 

 

 

 

(22) 

II.1.d. Excited State Emission:  Along the excited‐state trajectory time‐resolved PL can be computed between states i and j by using  oscillator strength 𝑓  and is based on concept of inverse population, equation (23a). Summing equation  (23a) provides time‐integrated emission, equation (23b) 39‐40.  ∑

𝐸 ℏ𝜔, 𝑡 𝐸

ℏ𝜔

𝑓 𝛿 ℏ𝜔

ℏ𝜔

𝜌

𝐸 ℏ𝜔, 𝑡 𝑑𝑡    

𝑡

𝜌 𝑡   

 

 

 

 

(23a) 

 

 

(23b) 

For accurate comparison between time‐integrated PL spectra we run the simulation based on the  lifetime of the HO‐LU transition found from the inverse of the Einstein coefficient for spontaneous  emission, equations (24a)‐(24b). 

A



A

f   

 

 

 

 

 

(24a) 

  

 

 

 

 

 

(24b) 

𝑣 is the transion frequency, f is the oscillator strength of the transition, g  is the degeneracy of the ith  state, and the rest are the familiar fundamental constants. PLQY can be computed for both models from  their respective radiative and non‐radiative HO‐LU transition lifetimes    



PLQY =  

 = 



ACS Paragon Plus Environment

  

 

 

 

(25) 

Page 15 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

15      II.2.a. Atomistic Construction of Pristine and Doped QD  The major constraints on constructing a fully‐passivated CsPbX3 perovskite NC are: (a) surface  termination (b) ligand placement, (c) charge neutrality.  (a) CsPbBr3 perovskites can have two distinct surface terminations in the cubic: X‐Cs or Pb‐X. We  construct a ‘Pb rich’ Pb‐X surface termination from 2x2x2 unit cell configuration with a stoichiometry  Cs8Pb27Br54. This leaves 8 corner Pb atoms 3 bonds under‐coordinated, 12 edge Pb atoms 2 bond under‐ coordinated, and 6 face Pb atoms which are 1 bond under‐coordinated giving 54 dangling Pb bonds. This  gives an NC 1.5 nm in edge length.  (b) Experimentally, oleic acid and oleylamine are used to passivate NC surfaces 1. Here we use short‐ chain cationic ethylammonium (EA) and anionic acetate (AC) as passivation ligands as an approximation.  Results for short‐chain ligands will provide insight into interaction potential but will neglect entropic  contribution that long‐chain ligands provide for binding energies. Anionic acetate (AC) ligands are used  to passivate dangling Pb2+ bonds. The role of EA is three‐fold: (i) provide counter‐balance charge for AC  ligands (ii) provide lattice strain in placement of Cs+ (iii) stabilize surface Br‐ atoms.   (c) Ideally, charge neutrality should be maintained over the entire NC. Our Pb‐rich surface without  passivation ligands has a charge of +8. With addition of 54 AC ligands to passivate surface Pb2+ gives a  charge of ‐46 to be balanced. Under constraints mentioned previously along with steric hindrance, we  introduce 48 EA ligands symmetrically over the NC surface to give an overall charge of 2+.  For the doped NC, the Mn2+ ion substitutionally replaces the central most Pb2+ atom giving an atomistic  configuration of Cs8Pb26 Mn1Br54 with the same surface passivation configuration as the pristine NC with 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 16 of 55

16    overall charge 2+. Figure 1(a),(c) illustrates the pristine and doped NCs, respectively, with Figure 1(b)  showing the atomistic constituents for each model.   II.2.b. Computational Details:  Electronic structure was found using DFT using the generalized gradient approximation (GGA) Perdew‐ Burke‐Ernzerhof (PBE) functional41 in a plane‐wave basis set along with projector augmented‐wave  (PAW) pseudopotentials 42‐43 in VASP44 software. All calculations were performed at the gamma point.  Both pristine and doped QDs have a simulation cell size of 31x31x31 Å  with 7 Å of vacuum in each  direction. Each model is composed of 995 atoms with the pristine and doped QD having 2806 and 2809  electrons, respectively. Both NC models have charged simulation cells. The spurious electrostatic  interactions between replicas of charged species discussed by Neugebauer and Scheffler45 are avoided  with the use of a background charge concept, as suggested by Makov and Payne46 and used for  modeling of charged metal clusters in PBC.47  We have recently tested that this approach provides  reasonable results for atomistic modeling of catalytic47 and fluorescent48 nanoparticles. Recently, this  approach has been successfully applied to model perovskite nanoclusters49  Electron‐phonon coupling, which we refer to as NACs, can be computed using two different  procedures50: ‘on‐the‐fly’ along a nuclear trajectory were 𝑉 along spatial coordinates51 52 were 𝑉 , ~ 𝜑 along normal mode 𝜉  and 𝑀

𝜑 𝑀

𝑡 ~ 𝜑

𝜑  and normal mode analysis 

  were 𝑑𝜉  symbolizes infinitesimal elongation 

 represents momentum of mode 𝜉  at a given temperature. For systems that 

are investigated here (~1000 atoms, ~2800 electrons) it is more convenient to generate NACs using ‘on‐the‐ fly’ procedure along a molecular dynamics trajectory. The processes which we attempt to model are  illustrated in Figure 2.     

ACS Paragon Plus Environment

Page 17 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

17                        III. RESULTS  This section provides results on computational characterization of doped and intrinsic perovskite  quantum dots organized in four subsections. Subsection III.1 reports ground state properties such as  bandgap, ligand binding, high versus low spin configurations, magnetization, and linear absorption.  Influence of thermal motion on properties of quantum dots is presented in subsection III.2. The  nonradiative pathway of photoinduced excited states are shown in subsection III.3. Subsection III.4  presents result on the radiative pathways of photoexcitation in perovskite quantum dots.    III.1. Ground State Properties.  

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 18 of 55

18    The geometry optimized pristine QD, SR DOS PBE calculations, see Figure 3(a), showed a band gap of  3.12 eV with the valence band edge being composed of Br 4p and Pb 6s KSOs and the conduction band  edge being Pb 6p KSOs (SI Table S1). For the SOC NCL PBE DOS calculation, see Figure 3(b), the band gap  reduced to 2.38 eV with the band edges having the same composition as the pristine QD (SI Table S1). It  is also observed that the ground state magnetization is zero, which is expected as stoichiometric, defect  free lead halide perovskites are closed‐shell systems. We note that for each energy level there is two‐ fold degeneracy, SI Table S2.    pDOS calculations, see Figure 4(a), show contributions of electron density from the surface  ligands are deeper in the valence and conduction band for both models, as indicated by the red line in  Figures 4(a)‐(b). This suggests that the model is well passivated and does not contain any surface trap  states 29. The average Pb‐O bond distance between a surface Pb2+ atom and acetate anion is 2.61 A, as  computed from RDF (SI Figure S1).   We computed binding energies of the anionic AC and EA ligands to the crystalline faces of the  pristine NC surface, shown in Table 1. Three cases are considered:   (1) remove one AC anion ligand which is sequentially protonated after removal from surface  𝑁𝐶

𝐻 → 𝑁𝐶

𝐴𝐶

𝐻 → 𝑁𝐶

𝐴𝐶  

(2) remove one EA cation ligand which is sequentially deprotonated  𝑁𝐶

→ 𝑁𝐶

𝐸𝐴

→ 𝑁𝐶

𝐸𝐴

𝐻  

(3) remove one AC anion ligand and an adjacent EA cation ligand which protonate/deprotonate each  other 

ACS Paragon Plus Environment

Page 19 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

19    𝑁𝐶

→ 𝑁𝐶

𝐸𝐴

𝐴𝐶

→ 𝑁𝐶

𝐸𝐴

𝐴𝐶  

  Comparing Case (1)‐(2) with case (3) would show if it is more favorable for the ligands to desorb  in a correlated manner or if they act independent of one another with the assistance from free protons  that would be available from solution. It is observed that the binding energy of case (3) is less than the  sum of binding energies for (1) and (2). Further analysis of binding energy is left for discussion.    For the doped NC, the Mn2+ ion takes the place of a Pb2+ ion and is placed in an octahedral ligand  field of Br‐ ions. From ligand field theory, Br‐ ions provide weak field energy splitting of Mn2+ 3d orbitals  and predicts a high spin configuration S=5/2. SI Table S3 shows geometry optimization calculations for  S=1/2, 3/2, 5/2. S=5/2 configuration provides the lowest total energy for the doped NC. During geometry optimization for the S=5/2 spin configuration, the Br‐ ligand field surrounding  the Mn2+ dopant adapted to a square pyramidal geometry (SI Figure S2). For the spin α DOS, see Figure  3(c), it is seen that there are two states that appear within the bandgap, above the valence band edge.  pDOS analysis, see Figure 4(c), shows that these states are dopant Mn2+ hybridized with atoms of the  perovskite QD. Further analysis shows these states are Mn2+ 3dz2 and 3dx2‐y2 states hybridizing with Br 4p  (SI Table S4). For the spin β component, there is a manifold of unoccupied Mn2+ 3d states that appear  0.19 eV below the conduction band edge, see Figure 3(c)‐4(c). The bandgap for the spin α and spin β  components are 2.37 eV and 3.14 eV, respectively. The Mn2+ 3d orbital ordering, its relation to the  square‐pyramidal geometry, and influence on non‐radiative relaxation is explored further in the  discussion section.   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 20 of 55

20    The NCL SOC PBE DOS calculation, see Figure 3(d), shows a bandgap of 1.77 eV.  pDOS, see  Figure 4(d), shows that the valence band edge is composed primarily of spin α components. In the  conduction band, it is seen that the band edge orbitals were composed of perovskite states, which  screen the dopant states and places them deep within the conduction band. Further analysis shows the  band edge is composed of Pb 6p SKSOs (SI Table S4). In the discussion section we explore how our  computed band alignment with SP and NCS methods correspond to experiment.     Comparing the SKSO electronic structure of the doped NC to the intrinsic NC, we do not observe  any degenerate energy states. We attribute this to spin‐spin interactions of the Mn2+ dopant perturbing  the perovskite states. This is reflected in the ground state magnetization of doped NC SKSOs not being  strictly anti‐parallel, as observed in the intrinsic NC magnetization (SI Table S2).    Optical properties were computed using equations 12(a)‐13(c) for both intrinsic and doped QD  under different basis and are shown in Figures 5(a)‐(b). Table 2 shows transitions that are labeled in  Figures 5(a)‐(b). Labels a‐c indicate spin‐conserving transitions and d‐f indicate spin‐flip transitions with  alphabetic progression of labels guiding from UV to IR ranges. Table 2 shows the greatest contributing  transition for each of the labeled peaks in Figures 5(a)‐(b). SI Table S5 shows most probable transitions  for each system and corresponding basis. For the intrinsic QD, SR and NCS computed spectra are shown  in Figure 5(a). The spinor spectra show lower transition energies than the SR spectra. This agrees with  DOS in Figures 3(a)‐(b) were SOC reduces the bandgap. For both SR and spinor spectra, the lowest  energy transitions had the highest oscillator strengths which favors radiative recombination, see SI Table  S5. For the spinor spectra, the lowest transition energy has 4 contributions which are features c in Figure  5(a) (from highest to lowest oscillator strength): HO‐1LU+1, HO‐1LU, HOLU+1, HOLU. This is 

ACS Paragon Plus Environment

Page 21 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

21    due the lowest (highest) energy conduction (valence) band being twice degenerate. It would be  expected that optical transitions which minimize the change in magnetization would show the largest  oscillator strengths, but that is not what is observed. The HO‐1LU+1 and HOLU transition show  Δ|𝑚⃑| = 0.77 Bohr and have the highest and lowest oscillator strengths for the lowest energy transition,  respectively.    For the doped NC, spectra for SP and NCS calculations are shown in Figure 5(b). The inset of  Figure 5(b) shows the lowest energy transitions for the spin α and spinor spectra, respectively.  The  spinor spectra show the lowest transition energy, which is an indication of low probability d‐d  transitions. From the pDOS Figure 4(d) it is known that the lowest energy transition, feature f in Figure  5(b), is a hybridized Mn2+ 3d to Pb2+ 6p transition. Transitions from 1.76 eV to 2.20 eV are of this same  character. From 2.20 eV to 2.37 eV there are a manifold of d‐d transitions which have oscillator strength  values shown in SI Table S6. Higher energy transitions are characteristic of pristine NC transitions with  c,b, and a in Figure 5(b) being Br 4p and Pb 6s to Pb 6p. For spin α and spin β their lowest energy  transitions, features cα and cβ  in Figure 5(b), are low in intensity. The cα feature is a Mn 3d to Pb 6p  transition and cβ corresponds to a Br 4p to Mn 3d ligand‐to‐metal transition (SI Table S4). Higher energy  transitions, such as features bα and bβ, are characteristic of pristine NC transitions from Br 4p and Pb 6s  to Pb 6p (SI Table S$). So, it appears that the effect of the Mn2+ dopant on optical spectra is to locally  suppress the pristine HO‐LU transition while retaining absorption characteristics for higher energy  transitions.    III.2. Molecular Dynamics. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 22 of 55

22     Here we explore how ionic motion influences electronic structure and oscillator strengths of the pristine  and doped QD along an adiabatic molecular dynamics trajectory. It is expected that bond vibrations of  surface passivation ligands will produce irregular fluctuations in HO‐LU oscillator strength while d‐d  transitions in the doped QD show periodic, low‐intensity fluctuations. For both models we track the  energy of KSOs from HO‐x to HO (lower half of plot) and LU to LU+y (upper half of plot) during the  trajectory, as shown in Figure 6. Each solid colored line corresponds to a distinct KSO. The KSOs  experience fluctuations in energy due to static coupling of KSOs to thermal motion of ions (ie  diagonalizing BO Hamiltonian at each timestep).     For the intrinsic QD, we computed 1000 1‐fs timestep MD trajectory with an average temperature of  300K using SR method. KS energy fluctuations demonstrate response of electronic energies to  thermalization of the model. As seen in Figure 6(a), there are states that appear within the bandgap  which is characteristic of surface state formation. Figure 6(b) shows a DOS calculation corresponding to  the specific timestep that is ‘boxed’ in Figure 6(a). The DOS shows a state within the bandgap that forms  around ‐1 eV. To track the average Pb‐O bond distance along the MD‐trajectory we compute a time‐ resolved RDF and track the value of the first maximum (SI Figure S3). Along with tracking KSO energies,  we compute oscillator strengths in SKSO basis along 50‐steps of the MD trajectory and track HO‐LU  transition (SI Figure 4). It is observed that the oscillator strength fluctuates from its maximum value to  going completely dark, similar to a ‘blinking’ process. It should be mentioned that during the trajectory  we do not see any ligands desorb from the surface. We explore this topic further in discussion.   For the doped QD we tracked KS orbital energy fluctuations for both spin α and spin β  components. For spin α, the two highest states in the valence band edge correspond to the Br 4p 

ACS Paragon Plus Environment

Page 23 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

23    hybridized 3dz2 and 3dx2‐y2 orbitals described in Figure 4(c). For spin β, the lowest five states in the  conduction band correspond to Mn2+ 3d orbitals described in Figure 4(d). Along the SP trajectory, as  seen in Figure 6(c)‐(d), it is observed that trap states do not form within the gap. Looking at the SKSO  computed d‐d oscillator strength transitions along the trajectory, they remain relatively constant but  show some fluctuations (SI Figure S5). The large fluctuations are likely due to the bands being composed  of Pb 6p orbitals as well, which shown previously will have ‘blinking’ like features along the trajectory.        III.3. Non‐Radiative Relaxation.   Non‐radiative relaxation dynamics of photoexcited states were found from computing non‐adiabatic  couplings between KSOs i and j using equations 18‐19. We use shorter trajectory for couplings, assume  average couplings to stay intact forever, and reformulate problem as system of ODE with constant  coefficients. Such SODE is solved by diagonalization method, which is valid for arbitrary instant of time.  This allows to assess ns lifetime by ps trajectory. Within Redfield formalism working under the secular  approximation, the Redfield tensor modulates rates of transitions between populations ii and jj  by Riijj.  In simplified explanation, the magnitude of each Redfield tensor element is proportional to  𝑉 accordance to Fermi Golden Rule. The 𝑉

, in 

matrix elements are averaged over the trajectory as described by 

Eq 18a‐18d to generate time independent rates. These rates are then used to construct the Redfield tensor  which modulates the non‐radiative relaxation. The values of Redfield tensor which depend on NACs are  visualized in Figure 7(a)‐(e) and have values in the range of 10

𝑝𝑠

 to 50 𝑝𝑠

.Redfield tensors for both 

pristine and doped NCs are shown in Figure 7(a)‐(b) and Figure 7(c)‐(e), respectively. KSO indicies i and j 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 24 of 55

24    are plotted on x‐axis and y‐axis with matrix elements Riijj plotted on the z‐axis. SI Figure S6 shows an  enhanced image of typical HO‐LU Riijj elements indicating low probability of non‐radiative relaxation  across the bandgap.    For the pristine QD, Figure 7(a) corresponds to Redfield tensor elements computed using SR KSO  basis and Figure 7(b) corresponds to SKSO basis. SR KSO and SKSO tensor elements show drastically  different trends. For the SR SKO basis, tensor elements follow a trend of higher Riijj values away from the  band edges and decreases continuously closer to the band edge R

,

𝑅 ∙ |𝜀 𝑅 ∙ |𝜀

𝜀 |𝛿 , 𝜀 |𝛿 ,

,𝑖 ,𝑖

𝐿𝑈 ,  𝐻𝑂

in accordance with the gap law53. In the SKSO basis, Riijj elements show a discontinuous, step‐wise  change  R

,

,

𝑖

𝑅 𝛿,

 

1, 𝑖 𝑖𝑠 𝑒𝑣𝑒𝑛  . Reason for such treads are put forth in the  0, 𝑖 𝑖𝑠 𝑜𝑑𝑑

discussion section. It is also observed that there is a wider spread of off‐diagonal Redfield tensor  elements in the SKSO basis compared to SR basis. This can be attributed to the mixing of spin states due  to SOC.    For the doped QD, Figure 7(c)‐(d) correspond to SP KSO basis with Figure 7(c) for spin α and  Figure 7(d) spin β components, respectively. Figure 7(e) is Redfield tensor computed in SKSO basis. In  the SP KSO basis, both spin α and spin β components show high magnitude Riijj elements that decrease  near the band edge. In the SKSO basis, the Riijj elements are roughly half in magnitude compared those  computed in SP KSO basis.    

ACS Paragon Plus Environment

Page 25 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

25    Non‐radiative excited‐state dynamics for the pristine and doped QD are shown in Figure 8(a)‐(e).  Briefly we describe how to interpret the figures. For each figure, the green color represents ground‐ state charge density, yellow represents gain in charge density Δn>0 = e‐ and blue represents loss of  charge density Δn 1. Even with lower absolute rates of relaxation for the 

SKSO basis, compared to the SR basis, non‐radiative relaxation to band edges is slightly quicker in the  SKSO basis. This can be attributed to the SKSO basis mixing with a larger number of states and providing  a greater number of non‐radiative relaxation pathways ie the SKSO Redfield tensor has more off‐ diagonal elements compared to SR tensor.    In general, a single exponential relaxation can be assumed when there is only one pathway  available. For typical cases of spin‐conserved NAC transitions in semiconductors at room temperature,  this is a good approximation as the NACs only couple electronic states within the energy window of kT   25 meV. Here we introduced SOC which provides additional pathways within this energy window. SI  Figure 9 compares the computed dimensionless energy decay to single exponential decay for LU+10 to  LU, SI Figure 10(a),  and HO‐9 to HO, SI Figure 10(b), respectively. The error due to assuming single  exponential fit is quantified using root‐mean‐square method 

〈𝐸 〉 𝑡

〈𝐸 〉

∑ ∆〈𝐸 〉 𝑡

 were ∆〈𝐸 〉 𝑡

 

𝑡  and t is the number of timesteps. The RMS for single exponential fits of LU+10 

ACS Paragon Plus Environment

Page 33 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

33    to LU and HO‐9 to HO are 1.97x10‐3 and 3.4x10‐3, respectively. It is interesting to note that electron and  hole relaxation show opposite trends in carrier cooling. For the photo‐excited electron its carrier cooling  slows down near the band edge. This can be attributed to the low density of states within 0.50 eV of  band edge due to strong SOC splitting (see Figure 3b). Indirect consequence of SOC coupled with NAC  results in slower cooling of carriers in regions of large energy splitting.   For the doped NC it was observed that the hole relaxation rate is 102 faster in the spin α basis  than the SKSO basis. This is interesting, as the spin α and SKSO valence bands are basically identical in  atomic orbital composition and in energy differences between states, compare Figure 4(c) and (d). Non‐ adiabatic transitions are generally inversely proportional to the energy difference between states and  𝝋𝑲𝑺 𝒊 proportional to the mixing of states 𝑉

 

𝒅𝑯 𝒅𝑹

𝝋𝑲𝑺 𝒋

𝑬𝒊 𝑬𝒋

, per the Hellman‐Feynman theorem. Since the 

energetics are the same between the two basis the difference must be a result of a difference in ‘spin  mixing’. The difference between the spin α and SKSO relaxation is in the HO‐2 HO‐1 and HO‐1  HO  transitions. A population ‘bottleneck’ appears in the SKSO basis compared to spin α (SI Figure S11). We  attribute the ‘bottleneck’ to two factors: (1) The HO‐2 to HO‐1, or HO, is a low probability spin‐flip  transition, see SI Table S2, which is not considered in the spin α basis. (2) the HO‐1 and HO transition is a  transition between Br‐ 4p hybridized Mn2+ 3d states. Contributions from mixing between Mn2+ 3dx2‐y2 and  3dz2 will be a negligible contribution to non‐radiative relaxation, so the relaxation between HO‐1 and HO  is driven by the hybridized Br‐ 4p. 

 

Note that in NCL approach the direction of spin magnetization may deviate from the 

conventionally used z‐axis. However, SKSOs which are contributed by mostly α or β component are  expected to have expectation values of magnetization oriented in opposite direction, antiparallel to 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 34 of 55

34    each other. For the pristine NC it is seen that there are certain characteristic non‐radiative transitions:  (1) ‘fast’ resonant transitions between degenerate bands of anti‐parallel magnetization vectors, which is  of spin‐flip character (2) transitions to non‐degenerate bands that have magnetization vectors more in  parallel, which is of spin‐conserved character (3) transitions to non‐degenerate bands with more anti‐ parallel magnetization, which is of spin‐flip character. To illustrate these transitions, we project the  Redfield tensor on to transitions within window of HO‐5 to HO with inset table of vector magnetization  in SI Figure S12. For the doped NC, there will be non‐radiative transitions of type (2) and (3) since the  high spin configuration of Mn2+ dopant breaks 2‐fold degeneracy of electronic states. 

     

IV.4. Excited State Emission.   The radiative HO‐LU lifetimes are only an order of magnitude different with the pristine and doped NC  being 2.35 and 52.77 ns, respectively. The ns ‐ scale lifetime of the intrinsic NC in SKSO basis agrees well  with what is seen in experiment for weakly confined CsPbBr3 NCs at room temperature 54 65 and is  slightly overestimated for lifetimes measured at 5 K 66. Even though the HO‐LU transition in the doped  NC is not a d‐d transition due to the distorted band alignment, it’s oscillator strength is only an order of  magnitude greater than the d‐d transitions. The lowest energy d‐d transition lifetimes are on the scale of  sub‐s to s, based on their computed transition energies and oscillator strengths. This is 103 faster than  what is seen in experiment where d‐d lifetimes are generally on the order of ms16, 18. One source of error  is likely due to over‐delocalization of SKSOs computed using a GGA functional. Since transition dipoles  are based on spatial overlap of SKSOs the oscillator strengths will be overestimated. Another factor is 

ACS Paragon Plus Environment

Page 35 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

35    that the transition energy between Mn2+ 3d states is also overestimated which will overestimate  radiative lifetimes as well.     A common metric used to quantify the competing radiative and nonradiative charge  recombination is PLQY. From the excited state calculations, one generates these rates and compares the   computed PLQY to experimental values.    SKSO PBE computed PLQYs for pristine and doped NCs are  33% and 0.20%, respectively. In experiment, it is observed that pristine CsPbBr3 NCs have high PLQYs  even when defects are present on the surface creating non‐radiative relaxation pathways. Within our  model our NC is well passivated and shows a low PLQY of 33%. One possible reason for this is due to  neglect of Rashba effect which is suspected to be responsible for suppressed non‐radiative carrier  recombination across the bandgap 67 68. To include Rashba effect into non‐radiative relaxation dynamics  would require computing NACs between momentum dependent KSO/SKSOs, which to date has not been  implemented.               V. CONCLUSIONS 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 36 of 55

36    We incorporate spin‐orbit coupling into excited‐state non‐adiabatic dynamics simulations using density  matrix formalism to describe radiative and non‐radiative relaxation processes. NACs between nuclear  and electronic degrees of freedom were computed in the basis of SKSOs found from NCS DFT with PBE  functional. We apply this method to a pristine CsPbBr3 and a Mn2+ doped CsPb1‐x MnxBr3 perovskite NC to  reveal how spin‐orbit interaction influences ground state electronic/optical properties and excited‐state  electron dynamics. We found interesting features in (1) equilibrium geometry static electronic structure  (2) role of dual ligand motif on binding energies of passivation ligands to NC surface  (3) features of  thermal MD nuclear degrees of freedom altering electronic and optical properties. (4) Excited state  dynamics of electronic degrees of freedom.   (1) Equilibrium geometry of the pristine NC showed expected trends of perovskite bandgaps, with SR  GGA calculations giving bandgaps that resemble experiment while SR with SOC reduced the gap by  0.74 eV. For the doped NC the SP electronic structure shows two Br‐ 4p hybridized Mn2+ 3d KSOs  above the valence band edge and a manifold of unoccupied Mn2+ 3d KSOs near the conduction band  edge. With SOC, the Pb2+ 6p KSOs reduce the bandgap and screen dopant states, giving a band  structure alignment that does not allow for d‐d transition PL. Calculations with DFT+U or hybrid  functionals give better agreement with experiment.  (2) Comparing binding energies of correlated verses independent desorption pathways for passivating  ligands shows that it is more energetically favorable for the ethylammonium and acetate anion to  desorb as a pair.     (3) Along the molecular dynamics trajectory, the oscillator strength of the pristine NC displayed a  ‘flickering’ behavior. In the doped NC d‐d oscillator strengths remained relatively constant during the  trajectory.  (4) For the pristine NC, NACs computed with SKSOs provided different trends in NRR relaxation rates.  SKSOs showed an alternating pattern with rates being highest near the band‐gap while SR KSOs 

ACS Paragon Plus Environment

Page 37 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

37    showed maximum rates away from the bandgap and continuously decreasing closer to the bandgap.  This is due to degeneracies in the SKSO electronic structure that displays fast transitions between  degenerate states and slower transitions to other states. HO‐LU radiative rate for the pristine NC  agrees well with experiment while non‐radiative recombination is over‐estimated likely due to  neglect of Rashba effect giving a low PLQY of 33%. For the doped NC, SKSO computed dynamics  show much slower relaxation near the band‐gap compared to SP SKO NACs. Specifically, hole  relaxation from perovskite valence band edge states to the Br‐ 4p hybridized Mn2+ 3d states inside  the gap are 2 orders of magnitude slower with SKSO basis than SP basis. This is attributed to a low‐ probability spin‐flip transition from HO‐2 to HO‐1 and low‐probability d‐d transition from HO‐1 to  HO.   Two most needed continued areas of research would include determining optimal functional to  model radiative and non‐radiative relaxation pathways in open shell systems containing transition  metals. Also, to include momentum dependent NACs in radiative and non‐radiative relaxation.                   VI. ACKNOWLEDGEMENTS 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 38 of 55

38    Authors thank DOE BES NERSC facility for computational resources, allocation award #91202, “Computational Modeling of Photo-catalysis and Photo-induced Charge Transfer Dynamics on Surfaces” supported by the Office of Science of the DOE under contract no. DE-AC02-05CH11231. The authors would like to thank Douglas Jennewein for support and maintaining the High-Performance Computing system at the University of South Dakota. T.M.I. gratefully acknowledges financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the Increase Competitiveness Program of NUST MISIS (No. K3-2017-026) implemented by a governmental decree dated 16th of March 2013, N 211. The calculations were partially performed at supercomputer cluster “Cherry” provided by the Materials Modeling and Development Laboratory at NUST “MISIS” (supported via the Grant from the Ministry of Education and Science of the Russian Federation No. 14.Y26.31.0005). DSK thanks Center for Integrated Nanotechnology and Sergei Tretiak for discussions and hospitality during manuscript preparation.      VII. Supporting Information  Supporting information includes: pDOS of models investigated, ligand and ligand field  geometry/bonding, magnetization projections and magnitudes, optical transition oscillator  strengths/transition energies, oscillator strength along MD trajectory, projected Redfield tensors,  population dynamics/PL emission along excited state trajectory, dimensionless carrier cooling, spinor  KSO fluctuations          VIII. REFERENCES 

ACS Paragon Plus Environment

Page 39 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

39    1.  Protesescu, L.; Yakunin, S.; Bodnarchuk, M. I.; Krieg, F.; Caputo, R.; Hendon, C. H.; Yang, R. X.;  Walsh, A.; Kovalenko, M. V., Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (cspbx(3), x = cl, br, and i):  Novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color gamut. Nano Lett 2015, 15 (6),  3692‐6.  2.  Song, J.; Li, J.; Li, X.; Xu, L.; Dong, Y.; Zeng, H., Quantum dot light‐emitting diodes based on  inorganic perovskite cesium lead halides (cspbx3 ). Adv. Mater. 2015, 27 (44), 7162‐7.  3.  Kim, Y.; Yassitepe, E.; Voznyy, O.; Comin, R.; Walters, G.; Gong, X.; Kanjanaboos, P.; Nogueira, A.  F.; Sargent, E. H., Efficient luminescence from perovskite quantum dot solids. ACS Appl Mater Interfaces  2015, 7 (45), 25007‐13.  4.  Zhang, X.; Lin, H.; Huang, H.; Reckmeier, C.; Zhang, Y.; Choy, W. C.; Rogach, A. L., Enhancing the  brightness of cesium lead halide perovskite nanocrystal based green light‐emitting devices through the  interface engineering with perfluorinated ionomer. Nano Lett. 2016, 16 (2), 1415‐20.  5.  Morozov, Y. V.; Zhang, S.; Brennan, M. C.; Janko, B.; Kuno, M., Photoluminescence up‐ conversion in cspbbr3 nanocrystals. ACS Energy Letters 2017, 2 (10), 2514‐2515.  6.  Manzi, A.; Tong, Y.; Feucht, J.; Yao, E. P.; Polavarapu, L.; Urban, A. S.; Feldmann, J., Resonantly  enhanced multiple exciton generation through below‐band‐gap multi‐photon absorption in perovskite  nanocrystals. Nat Commun 2018, 9 (1), 1518.  7.  Yakunin, S.; Protesescu, L.; Krieg, F.; Bodnarchuk, M. I.; Nedelcu, G.; Humer, M.; De Luca, G.;  Fiebig, M.; Heiss, W.; Kovalenko, M. V., Low‐threshold amplified spontaneous emission and lasing from  colloidal nanocrystals of caesium lead halide perovskites. Nat Commun 2015, 6, 8056.  8.  Huang, H.; Bodnarchuk, M. I.; Kershaw, S. V.; Kovalenko, M. V.; Rogach, A. L., Lead halide  perovskite nanocrystals in the research spotlight: Stability and defect tolerance. ACS Energy Letters  2017, 2071‐2083.  9.  Giansante, C.; Infante, I., Surface traps in colloidal quantum dots: A combined experimental and  theoretical perspective. J Phys Chem Lett 2017, 8 (20), 5209‐5215.  10.  Protesescu, L.; Yakunin, S.; Kumar, S.; Bar, J.; Bertolotti, F.; Masciocchi, N.; Guagliardi, A.;  Grotevent, M.; Shorubalko, I.; Bodnarchuk, M. I.; Shih, C. J.; Kovalenko, M. V., Dismantling the "red wall"  of colloidal perovskites: Highly luminescent formamidinium and formamidinium‐cesium lead iodide  nanocrystals. ACS Nano 2017, 11 (3), 3119‐3134.  11.  Koscher, B. A.; Swabeck, J. K.; Bronstein, N. D.; Alivisatos, A. P., Essentially trap‐free cspbbr3  colloidal nanocrystals by postsynthetic thiocyanate surface treatment. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139 (19),  6566‐6569.  12.  Krieg, F.; Ochsenbein, S. T.; Yakunin, S.; ten Brinck, S.; Aellen, P.; Süess, A.; Clerc, B.; Guggisberg,  D.; Nazarenko, O.; Shynkarenko, Y.; Kumar, S.; Shih, C.‐J.; Infante, I.; Kovalenko, M. V., Colloidal cspbx3 (x  = cl, br, i) nanocrystals 2.0: Zwitterionic capping ligands for improved durability and stability. ACS Energy  Letters 2018, 641‐646.  13.  Norris, D. J.; Efros, A. L.; Erwin, S. C., Doped nanocrystals. Science 2008, 319 (5871), 1776‐1779.  14.  Fainblat, R.; Barrows, C. J.; Gamelin, D. R., Single magnetic impurities in colloidal quantum dots  and magic‐size clusters. Chemistry of Materials 2017.  15.  Liu, W.; Lin, Q.; Li, H.; Wu, K.; Robel, I.; Pietryga, J. M.; Klimov, V. I., Mn2+‐doped lead halide  perovskite nanocrystals with dual‐color emission controlled by halide content. J Am Chem Soc 2016, 138  (45), 14954‐14961.  16.  Akkerman, Q. A.; Meggiolaro, D.; Dang, Z.; De Angelis, F.; Manna, L., Fluorescent alloy  cspbxmn1–xi3 perovskite nanocrystals with high structural and optical stability. ACS Energy Letters 2017,  2 (9), 2183‐2186.  17.  Yuan, X.; Ji, S.; De Siena, M. C.; Fei, L.; Zhao, Z.; Wang, Y.; Li, H.; Zhao, J.; Gamelin, D. R.,  Photoluminescence temperature dependence, dynamics, and quantum efficiencies in mn2+‐doped 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 40 of 55

40    cspbcl3 perovskite nanocrystals with varied dopant concentration. Chemistry of Materials 2017, 29 (18),  8003‐8011.  18.  Rossi, D.; Parobek, D.; Dong, Y.; Son, D. H., Dynamics of exciton–mn energy transfer in mn‐ doped cspbcl3 perovskite nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121 (32), 17143‐ 17149.  19.  Parobek, D.; Roman, B. J.; Dong, Y.; Jin, H.; Lee, E.; Sheldon, M.; Son, D. H., Exciton‐to‐dopant  energy transfer in mn‐doped cesium lead halide perovskite nanocrystals. Nano Lett 2016, 16 (12), 7376‐ 7380.  20.  Yao, G.; Huang, S.; May, P. S.; Berry, M. T.; D., K., Non‐collinear spin dft for lanthanide ions in  doped hexagonal nayf4 Molecular Physics 2014, 112 (3‐4), 546‐556.  21.  Vogel, D. J.; Kryjevski, A.; Inerbaev, T.; Kilin, D. S., Photoinduced single‐ and multiple‐electron  dynamics processes enhanced by quantum confinement in lead halide perovskite quantum dots. The  Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (13), 3032‐3039.  22.  Jankowska, J.; Long, R.; Prezhdo, O. V., Quantum dynamics of photogenerated charge carriers in  hybrid perovskites: Dopants, grain boundaries, electric order, and other realistic aspects. ACS Energy  Letters 2017, 2 (7), 1588‐1597.  23.  Nguyen, T. S.; Parkhill, J., Nonradiative relaxation in real‐time electronic dynamics oscf2:  Organolead triiodide perovskite. J Phys Chem A 2016, 120 (34), 6880‐7.  24.  Forde, A.; Kilin, D., Hole transfer in dye‐sensitized cesium lead halide perovskite photovoltaics:  Effect of interfacial bonding. The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121 (37), 20113‐20125.  25.  Vogel, D. J.; Inerbaev, T. M.; Kilin, D. S., Role of lead vacancies for optoelectronic properties of  lead‐halide perovskites. The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122 (10), 5216‐5226.  26.  Barth, U. v.; Hedin, L., A local exchange‐correlation potential for the spin polarized case. I.  Journal of Physics C: Solid State Physics 1972, 5 (13), 1629‐1642.  27.  Brennan, M. C.; Herr, J. E.; Nguyen‐Beck, T. S.; Zinna, J.; Draguta, S.; Rouvimov, S.; Parkhill, J.;  Kuno, M., Origin of the size‐dependent stokes shift in cspbbr3 perovskite nanocrystals. J. Am. Chem. Soc.  2017, 139 (35), 12201‐12208.  28.  Proshchenko, V.; Dahnovsky, Y., Tunable luminescence in cdse quantum dots doped by mn  impurities. The Journal of Physical Chemistry C 2014, 118 (48), 28314‐28321.  29.  Kilina, S.; Ivanov, S.; Tretiak, S., Effect of surface ligands on optical and electronic spectra of  semiconductor nanoclusters. Journal of the American Chemical Society 2009, 131 (22), 7717‐7726.  30.  Badaeva, E.; Isborn, C. M.; Feng, Y.; Ochsenbein, S. T.; Gamelin, D. R.; Li, X., Theoretical  characterization of electronic transitions in co2+‐ and mn2+‐doped zno nanocrystals. The Journal of  Physical Chemistry C 2009, 113 (20), 8710‐8717.  31.  Hammes‐Schiffer, S.; Tully, J. C., Proton transfer in solution ‐ molecular dynamics with quantum  transitions. Journal of Chemical Physics 1994, 101 (6), 4657‐4667.  32.  Tully, J. C., Molecular dynamics with electronic transitions. The Journal of Chemical Physics 1990,  93 (2), 1061‐1071.  33.  Redfield, A. G., On the theory of relaxation processes. Ibm Journal of Research and Development  1957, 1 (1), 19‐31.  34.  Jean, J. M.; Friesner, R. A.; Fleming, G. R., Application of a multilevel redfield theory to electron  transfer in condensed phases. Journal of Chemical Physics 1992, 96 (8), 5827‐5842.  35.  Egidi, F.; Sun, S.; Goings, J. J.; Scalmani, G.; Frisch, M. J.; Li, X., Two‐component noncollinear  time‐dependent spin density functional theory for excited state calculations. Journal of Chemical Theory  and Computation 2017, 13 (6), 2591‐2603.  36.  Yao, G.; Meng, Q.; Berry, M. T.; May, P. S.; S. Kilin, D., Molecular dynamics in finding  nonadiabatic coupling for β‐nayf4: Ce3+ nanocrystals. Molecular Physics 2015, 113 (3‐4), 385‐391. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 41 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

41    37.  Filip, M. R.; Giustino, F., Gw quasiparticle band gap of the hybrid organic‐inorganic perovskite  ch3nh3pbi3: Effect of spin‐orbit interaction, semicore electrons, and self‐consistency. Physical Review B  2014, 90 (24).  38.  Bulik, I. W.; Scalmani, G.; Frisch, M. J., Noncollinear density functional theory having proper  invariance and local torque properties. Physical Review B 2013, 87 (3), 035117.  39.  Vogel, D. J.; Kilin, D. S., First‐principles treatment of photoluminescence in semiconductors.  Journal of Physical Chemistry C 2015, 119 (50), 27954‐27964.  40.  Han, Y.; Vogel, D. J.; Inerbaev, T. M.; May, P. S.; Berry, M. T.; Kilin, D. S., Photoinduced dynamics  to photoluminescence in ln3+ (ln = ce, pr) doped β‐nayf4 nanocrystals computed in basis of non‐ collinear spin dft with spin‐orbit coupling. Molecular Physics 2017, 1‐11.  41.  Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M., Generalized gradient approximation made simple [phys.  Rev. Lett. 77, 3865 (1996)]. Phys. Rev. Lett. 1997, 78 (7), 1396‐1396.  42.  Blöchl, P. E., Projector augmented‐wave method. Physical Review B 1994, 50 (24), 17953‐17979.  43.  Kresse, G.; Joubert, D., From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented‐wave  method. Physical Review B 1999, 59 (3), 1758‐1775.  44.  Kresse, G.; Furthmuller, J., Efficiency of ab‐initio total energy calculations for metals and  semiconductors using a plane‐wave basis set. Computational Materials Science 1996, 6 (1), 15‐50.  45.  Neugebauer, J.; Scheffler, M., Adsorbate‐substrate and adsorbate‐adsorbate interactions of na  and k adlayers on al(111). Physical Review B 1992, 46 (24), 16067‐16080.  46.  Makov, G.; Payne, M. C., Periodic boundary conditions in ab initio calculations. Phys. Rev. B  1995, 51 (7), 4014‐4022.  47.  Meng, Q. G.; Chen, J. C.; Kilin, D., Proton reduction at surface of transition metal nanocatalysts.  Molec. Simulation 2015, 41 (1‐3), 134‐145.  48.  Brown, S. L.; Hobbie, E. K.; Tretiak, S.; Kilin, D. S., First‐principles study of fluorescence in silver  nanoclusters. The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121 (43), 23875‐23885.  49.  Forde, A.; Inerbaev, T.; Kilin, D., Role of cation‐anion organic ligands for optical properties of  fully inorganic perovskite quantum dots. MRS Advances, 1‐7.  50.  Giustino, F., Electron‐phonon interactions from first principles. Reviews of Modern Physics 2017,  89 (1), 015003.  51.  Han, P.; Bester, G., First‐principles calculation of the electron‐phonon interaction in  semiconductor nanoclusters. Physical Review B 2012, 85 (23).  52.  Kryjevski, A.; Mihaylov, D.; Kilina, S.; Kilin, D., Multiple exciton generation in chiral carbon  nanotubes: Density functional theory based computation. The Journal of Chemical Physics 2017, 147  (15), 154106.  53.  Englman, R.; Jortner, J., Energy gap law for radiationless transitions in large molecules.  Molecular Physics 1970, 18 (2), 145‐164.  54.  Koscher, B. A.; Swabeck, J. K.; Bronstein, N. D.; Alivisatos, A. P., Essentially trap‐free cspbbr3  colloidal nanocrystals by postsynthetic thiocyanate surface treatment. J Am Chem Soc 2017, 139 (19),  6566‐6569.  55.  Krieg, F.; Ochsenbein, S. T.; Yakunin, S.; ten Brinck, S.; Aellen, P.; Süess, A.; Clerc, B.; Guggisberg,  D.; Nazarenko, O.; Shynkarenko, Y.; Kumar, S.; Shih, C.‐J.; Infante, I.; Kovalenko, M. V., Colloidal cspbx3 (x  = cl, br, i) nanocrystals 2.0: Zwitterionic capping ligands for improved durability and stability. ACS Energy  Letters 2018, 3 (3), 641‐646.  56.  Liu, F.; Zhang, Y.; Ding, C.; Kobayashi, S.; Izuishi, T.; Nakazawa, N.; Toyoda, T.; Ohta, T.; Hayase,  S.; Minemoto, T.; Yoshino, K.; Dai, S.; Shen, Q., Highly luminescent phase‐stable cspbi3 perovskite  quantum dots achieving near 100% absolute photoluminescence quantum yield. ACS Nano 2017, 11  (10), 10373‐10383. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 42 of 55

42    57.  Even, J.; Pedesseau, L.; Jancu, J.‐M.; Katan, C., Importance of spin–orbit coupling in hybrid  organic/inorganic perovskites for photovoltaic applications. The Journal of Physical Chemistry Letters  2013, 4 (17), 2999‐3005.  58.  De Roo, J.; Ibanez, M.; Geiregat, P.; Nedelcu, G.; Walravens, W.; Maes, J.; Martins, J. C.; Van  Driessche, I.; Kovalenko, M. V.; Hens, Z., Highly dynamic ligand binding and light absorption coefficient  of cesium lead bromide perovskite nanocrystals. ACS Nano 2016, 10 (2), 2071‐81.  59.  Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M., Hybrid functionals based on a screened coulomb  potential. Journal of Chemical Physics 2003, 118 (18), 8207‐8215.  60.  Dudarev, S. L.; Botton, G. A.; Savrasov, S. Y.; Humphreys, C. J.; Sutton, A. P., Electron‐energy‐loss  spectra and the structural stability of nickel oxide: An lsda+u study. Physical Review B 1998, 57 (3), 1505‐ 1509.  61.  Ekaterina, B.; Yong, F.; Daniel, R. G.; Xiaosong, L., Investigation of pure and co 2+ ‐doped zno  quantum dot electronic structures using the density functional theory: Choosing the right functional.  New Journal of Physics 2008, 10 (5), 055013.  62.  Klimov, V. I.; Mikhailovsky, A. A.; Xu, S.; Malko, A.; Hollingsworth, J. A.; Leatherdale, C. A.; Eisler,  H. J.; Bawendi, M. G., Optical gain and stimulated emission in nanocrystal quantum dots. Science 2000,  290 (5490), 314‐317.  63.  Frantsuzov, P.; Kuno, M.; Janko, B.; Marcus, R. A., Universal emission intermittency in quantum  dots, nanorods and nanowires. Nature Physics 2008, 4 (7), 519‐522.  64.  Yarita, N.; Tahara, H.; Saruyama, M.; Kawawaki, T.; Sato, R.; Teranishi, T.; Kanemitsu, Y., Impact  of postsynthetic surface modification on photoluminescence intermittency in formamidinium lead  bromide perovskite nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (24), 6041‐6047.  65.  Makarov, N. S.; Guo, S.; Isaienko, O.; Liu, W.; Robel, I.; Klimov, V. I., Spectral and dynamical  properties of single excitons, biexcitons, and trions in cesium‐lead‐halide perovskite quantum dots.  Nano Lett 2016, 16 (4), 2349‐62.  66.  Becker, M. A.; Vaxenburg, R.; Nedelcu, G.; Sercel, P. C.; Shabaev, A.; Mehl, M. J.; Michopoulos, J.  G.; Lambrakos, S. G.; Bernstein, N.; Lyons, J. L.; Stöferle, T.; Mahrt, R. F.; Kovalenko, M. V.; Norris, D. J.;  Rainò, G.; Efros, A. L., Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites. Nature 2018, 553, 189.  67.  Etienne, T.; Mosconi, E.; De Angelis, F., Dynamical origin of the rashba effect in organohalide  lead perovskites: A key to suppressed carrier recombination in perovskite solar cells? The Journal of  Physical Chemistry Letters 2016, 7 (9), 1638‐1645.  68.  Isarov, M.; Tan, L. Z.; Bodnarchuk, M. I.; Kovalenko, M. V.; Rappe, A. M.; Lifshitz, E., Rashba  effect in a single colloidal cspbbr3 perovskite nanocrystal detected by magneto‐optical measurements.  Nano Letters 2017, 17 (8), 5020‐5026.           

ACS Paragon Plus Environment

Page 43 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

43    VIII. FIGURES AND TABLES 

  Figure 1:  (a) shows the geometry optimized pristine CsPbBr3 QD constructed from a 2x2x2 unit cells and  passivated by short chain carboxylic acid and amine ligands. The pristine QD has an atomistic  composition of Cs8Pb27Br54 + 48 ethylammonium cations+ 54 acetate anions. Binding energies of each  ligand are summarized in Table 1.  (b) shows the elements/molecules used to construct the perovskite  QD models. (c) shows the Mn2+ doped CsPb1‐x MnxBr3 QD which has the same morphology as the intrinsic  QD, but with the central most Pb2+ atom substitutionally replaced with Mn2+.                     

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 44 of 55

44   

  Figure 2: Energy diagram which shows how dual emission occurs in doped semiconductor NC/QDs. A  photoexcitation event occurs in the NC with the photo‐excited electron e‐ and photo‐induced hole h+  relaxing to their respective band edges (green rectangles). Once at the band edges e‐ and h+ can either  radiatively combine to produce PL with energy hvperovskite or non‐radiatively transfer to either surface trap  states (dashed line) or Mn2+ 3d states (solid black line) inside the perovskite NC bandgap. If both the e‐  and h+ non‐radiatively relax to Mn2+ 3d states there can be radiative emission with energy hvdopant  typically associated with the 4T1  6A1 transition.           

ACS Paragon Plus Environment

Page 45 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

45   

Figure 3: (a) – (d) show DOS for each respective model computed under different methodologies.  Shaded regions represent occupied states. (a) Spin‐restricted DOS for the pristine CsPbBr3 QD which  shows a bandgap of 3.12 eV. (b) Spinor DOS for the pristine CsPbBr3 QD which shows a bandgap of 2.38  eV. The spinor DOS shows a reduced bandgap due to SOC splitting degenerate Pb2+ 6p spin states in the  conduction band. (c) Spin‐polarized DOS for the doped CsPb1‐x MnxBr3 QD where the upper and lower  curves represent spin α and spin β components, respectively. The Mn2+ dopant takes a high spin S=5/2  configuration with two Mn2+ d‐orbital states appearing inside the spin α bandgap. The spin α and spin β  components show a bandgap of 2.35 eV and 3.13 eV, respectively. (d) Spinor DOS for the doped CsPb1‐x  MnxBr3 QD which shows a bandgap of 1.76 eV. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 46 of 55

46   

Figure 4: (a) – (d) show pDOS for each respective QD model computed under different methodologies.  Solid red, dashed green, and dashed‐hyphen orange lines correspond to states located on ligand atoms  (C,H,O,N), perovskite atoms (Cs, Pb, Br), and the dopant atom (Mn), respectively. (a) Spin‐restricted  pDOS and (b) spinor pDOS for the pristine CsPbBr3 QD. The band edges for both (a) and (b) show  perovskite states, indicating the QD is well passivated. (c) Spin‐polarized pDOS and (d) spinor pDOS for  the doped CsPb1‐x MnxBr3 QD were for (c) upper and lower curves represent spin α and spin β  components, respectively. The insets for (c) and (d) are 100x magnification of the states between ‐3 and  ‐2 eV and 10x magnification for states between ‐0.2 and 0.5 eV. The valence band edge spin α states in  (c) show hybridization between Mn2+ 3d‐orbitals and ligand field Br 4p KSOs while the conduction band  edge spin β states show mostly pure Mn2+ 3d KSOs (SI Table 1). Note that in (c) an optical transition from  HOMO‐LUMO would correspond to an explicit spin‐flip. In (d) the same features as described in (c)  appear, but the conduction band Mn2+ 3d KSOs are covered up by Pb2+ 6p KSOs due to SOC reducing the  perovskite QD bandgap. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 47 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

47                                                  Figure 5: Optical spectra (in arbitrary units) for (a) pristine CsPbBr3 QD and (b) doped CsPb1‐x MnxBr3 QD.  Labels show notable optical transitions are described in Table x. (a) The solid red line corresponds to SR  spectra and the dashed green line corresponds to spinor spectra. The spinor spectrum shows lower  transition energies due to SOC reducing the bandgap. Spinor spectra also shows enhanced on‐set  absorption compared to spin‐restricted spectra (vertical black dashed lines). (b) Solid red, dashed green,  and dashed‐hyphen orange lines correspond to spinor, spin α, and spin β spectra, respectively. The inset  shows low‐intensity absorption onset for spinor and spin α spectra. The spinor spectrum shows earlier  onset of absorption compared to SP spectra. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 48 of 55

48   

Figure 6: (a), (c), and (d) show energy fluctuations of KSOs along a MD trajectory due to static coupling  of KSOsto lattice vibrational modes. Lines in the lower and upper half of the figure correspond to  energies near the valence band edge εi to εHO and conduction band edge εi to εLU, respectively. Each  colored line corresponds to an energy of a distinct KSO. (a) KSO fluctuations for the pristine CsPbBr3 QD  along MD trajectory. Along the trajectory sharp peaks form and disappear, suggestive of trap state  formation. (b) DOS calculation corresponding to the specific time ‘boxed’ snapshot in (a) which  illustrates trap state formation at that time‐step. The insets show partial charge density localized on  surface ligands, confirming surface trap state formation. (c) KSO fluctuations for the spin α component  of the doped CsPb1‐x MnxBr3 QD. It is observed that there are no sharp peaks that form above the pink  curve in the valence band, which corresponds to the dopant state being ‘protected’ from surface states.  (d) KSO fluctuations for the spin β component of the doped CsPb1‐x MnxBr3 QD. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 49 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

49     

                Figure 7: (a) – b) show Redfield tensors computed for the pristine CsPbBr3 QD and (c) – (e) show tensors  computed for the doped CsPb1‐x MnxBr3 QD. Redfield tensors describe the average coupling of electronic  states i (x‐axis) and j (y‐axis) along a MD trajectory due to thermal fluctuations. Each Riijj  component (z‐ axis) is proportional to the rate of transition between states i and j. For the pristine QD, (a) shows  greater coupling away from the band edge and lower coupling near the band edge, while (b) shows the  opposite trend. (b) displays a step‐wise symmetry with Rii,i‐1,i‐1(i) fluctuating between high and low values  1, 𝑖 𝑖𝑠 𝑒𝑣𝑒𝑛 Rii,i‐1,i‐1(i) ~    . For the doped QD, (c) and (d) show 2x higher magnitude of Riijj   0, 𝑖 𝑖𝑠 𝑜𝑑𝑑 components compared to (e). 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 50 of 55

50                                              Figure 8: (a) – (e) illustrate the non‐radiative relaxation of a hole and electron to the band edge after a  photo‐excitation where (a)‐(b) are for the pristine QD and (c)‐(e) correspond to the doped QD. e and h  represent time of relaxation from LU+y to LU and HO‐x to HO, respectively. Initial conditions HO‐x and  LU+y are choosen based on oscillator strengths. Green background represents equilibrium distribution  with blue and yellow regions specify energy intervals were charge density deviates from equilibrium.  Blue represents loss of electron density Δn0 = e‐. Solid  and dashed horizontal lines represent average electron energy 〈∆𝜀 〉 𝑡  and hole energy 〈∆𝜀 〉 𝑡   during relaxation, respectively. For the pristine QD, both (a) and (b) show sub‐picoseond electron and  hole relaxation with (b) showing slightly faster relaxation. For the doped QD, (c) and (d) show sub‐ picosecond electron and hole relaxation while (e) shows picosecond electron relaxation and 101  picosecond hole relaxation, as summarized in Table 3. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 51 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

51   

  Figure 9: (a)‐(b) and (c)‐(d) correspond to time‐resolved and time‐integrated emission for the pristine  NC and doped NC using SKSO basis, respectively. (a),(c) correspond to time‐resolved radiative transitions  that compete with non‐radiative transitions along the excited‐state trajectory. The x‐axis is log scale  normalized to picosecond and y‐axis shows emission energy in eV. Emission events occur during the  trajectory when krad > knon‐rad . The intensity of the emission is indicated by the color of the band, with  yellow indicating most intense transition and blue being less intense. The length of the trajectory is  chosen based on radiative and non‐radiative lifetimes of HO‐LU transition. The pristine and doped HO‐LU  transitions have radiative/non‐radiative lifetimes of 2.35 ns/1.18 ns and 52.7 ns/97.8 ps, respectively.  (b),(d) sums the time‐resolved spectra to generate a PL spectrum, in arbitrary units. It is observed that  the pristine NC has 105 more intense PL than the doped PL. PLQY is computed for both models with the  pristine and doped NC having 33% and 0.20%, respectively.          

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 52 of 55

52     

Ligand Removed

Binding  Energy [eV]

(1) Acetate Anion

0.61

(2) Ethylammonium

3.61

(3) Acetate Anion + Ethylammonium  1.47   Table 1: Binding energies were computed using E(products) – E(reactants) for the reactions pathways  explored. We explore whether it is more favorable for the acetate anion and ethylammonium ligands to  desorb independently, case (1) and (2), or to desorb together in a correlated way, case (3). It is seen that  case (3), where an adjacent ethylammonium protonates an acetate anion, is more energetically  favorable than the sum of pathways (1) and (2) where an acetate anion desorbs and gained a proton  from solution donated by a desorbed ethylammonium.                                     

ACS Paragon Plus Environment

Page 53 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

53    Pristine QD ‐ Spin Restricted    



j  

eV 

c'  HO  LU  3.11  b'  HO‐3  LU+16  3.72  a'  HO‐37  LU+2  4.01  Doped QD – Spin α  α

c   HO  LU  α b   HO‐3  LU+1  aα  HO‐20  LU+9 

Pristine QD ‐ Spinor  OS 

  

6.73  C  4.52  B  2.61  A 

j  

eV 

HO  HO‐6  LU+29 

LU  LU+11  HO‐28 

2.38  0.22     i  3.18  0.47  f  HO  3.69  0.15  e  HO 

Doped QD ‐ Spin β  2.37  3.27  3.96 

β

0.47  c   HO  3.70  bβ  HO‐7  7.12  aβ  HO‐17 

LU  LU+8  LU+14 

OS 

  Doped QD ‐ Spinor 



d  HO  3.13  0.08  c  HO‐5  3.62  5.20  b  HO‐7  3.98  1.76  a  HO‐31 

j   LU  LU+4 

eV  OS  1.76  0.02  1.91  0.01 

LU+12  2.20  0.01  LU+1  2.63  0.46  LU+4  2.80  0.46  LU+29  3.62  0.08 

  Table 2: Optical transitions for the pristine and doped QDs using different basis. These transitions are  shown in Figures 5(a)‐(b).                                 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Physical Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 54 of 55

54     

Model : Method

 

ke 

kh 

 

[1/ps]

[1/ps]

Pristine : Spin‐Restricted  8(a)

3.34

2.27

Pristine: Spinor 8(b)

4.76

8.34

Doped: Spin α 8(c)

4.35

4.01

Doped: Spin β 8(d)

9.09

10.12

Doped: Spinor 8(e)

1.04

0.09

 

                 

Table 3: Non‐radiative relaxation rates, in units of 1/ps, which correspond to Figures 8(a)‐(e). For the  pristine NC, the spinor basis enhances relaxation rates while for the doped NC the spinor basis slows  down relaxation. Reasons for these trends are put forth in discussion section.                   

ACS Paragon Plus Environment

Page 55 of 55 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Physical Chemistry

55    TOC Graphic  

 

ACS Paragon Plus Environment