Femtosecond resolution X-ray fluorescence spectroscopy is shown to track the charge and spin dynamics triggered when an iron coordination complex is excited by light, and establishes the critical role of intermediate spin states in the de-excitation process. The absorption and dissipation of light energy by 3d transition metal complexes has a crucial role in photosynthesis and many artificial systems that harvest solar energy, but understanding this complex phenomenon in detail remains challenging. Wenkai Zhang and colleagues now show that femtosecond resolution X-ray fluorescence spectroscopy can overcome the limitations of existing methods for probing the excited-state dynamics involved. This is illustrated for a prototypical iron complex, where tracking of the charge and spin dynamics triggered upon light-excitation establishes the critical role of intermediate spin states in the de-excitation process. The authors anticipate that their method will finally enable the detailed mapping — and hence understanding — of the fundamental processes that underpin many useful light-triggered molecular phenomena involving 3d transition metal complexes. Crucial to many light-driven processes in transition metal complexes is the absorption and dissipation of energy by 3d electrons1,2,3,4. But a detailed understanding of such non-equilibrium excited-state dynamics and their interplay with structural changes is challenging: a multitude of excited states and possible transitions result in phenomena too complex to unravel when faced with the indirect sensitivity of optical spectroscopy to spin dynamics5 and the flux limitations of ultrafast X-ray sources6,7. Such a situation exists for archetypal polypyridyl iron complexes, such as [Fe(2,2′-bipyridine)3]2+, where the excited-state charge and spin dynamics involved in the transition from a low- to a high-spin state (spin crossover) have long been a source of interest and controversy6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Here we demonstrate that femtosecond resolution X-ray fluorescence spectroscopy, with its sensitivity to spin state, can elucidate the spin crossover dynamics of [Fe(2,2′-bipyridine)3]2+ on photoinduced metal-to-ligand charge transfer excitation. We are able to track the charge and spin dynamics, and establish the critical role of intermediate spin states in the crossover mechanism. We anticipate that these capabilities will make our method a valuable tool for mapping in unprecedented detail the fundamental electronic excited-state dynamics that underpin many useful light-triggered molecular phenomena involving 3d transition metal complexes.

Piezoelectricity describes interconversion between electrical charge and mechanical strain. As expected for lattice ions displaced in an electric field, the proportionality constant is positive for all piezoelectric materials. The exceptions are poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and its copolymers with trifluoroethylene (P(VDF-TrFE)), which exhibit a negative longitudinal piezoelectric coefficient. Reported explanations exclusively consider contraction with applied electric field of either the crystalline or the amorphous part of these semi-crystalline polymers. To distinguish between these conflicting interpretations, we have performed in situ dynamic X-ray diffraction measurements on P(VDF-TrFE) capacitors. We find that the piezoelectric effect is dominated by the change in lattice constant but, surprisingly, it cannot be accounted for by the polarization-biased electrostrictive contribution of the crystalline part alone. Our quantitative analysis shows that an additional contribution is operative, which we argue is due to an electromechanical coupling between the intermixed crystalline lamellae and amorphous regions. Our findings tie the counterintuitive negative piezoelectric response of PVDF and its copolymers to the dynamics of their composite microstructure. Poly(vinylidene fluoride) exhibits a negative longitudinal piezoelectric coefficient. In situ X-ray diffraction measurements suggest that this effect is dependent on electromechanical coupling between the intermixed crystalline lamellae and amorphous regions.

Iron's abundance and rich coordination chemistry are potentially appealing features for photochemical applications. However, the photoexcitable charge-transfer states of most iron complexes are limited by picosecond or subpicosecond deactivation through low-lying metal-centered states, resulting in inefficient electron-transfer reactivity and complete lack of photoluminescence. In this study, we show that octahedral coordination of iron(III) by two mono-anionic facial tris-carbene ligands can markedly suppress such deactivation. The resulting complex [Fe(phtmeimb)2]+, where phtmeimb is {phenyl[tris(3-methylimidazol-1-ylidene)]borate}-, exhibits strong, visible, room temperature photoluminescence with a 2.0-nanosecond lifetime and 2% quantum yield via spin-allowed transition from a doublet ligand-to-metal charge-transfer (2LMCT) state to the doublet ground state. Reductive and oxidative electron-transfer reactions were observed for the 2LMCT state of [Fe(phtmeimb)2]+ in bimolecular quenching studies with methylviologen and diphenylamine.